高速動車組車體結構斷面剛度特性分析

王劍,達瓦 ,張振 ,馬紀軍

(1.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；2. 中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 116028)*

0 引言

高速動車組車體大多數采用全承載式鋁合金結構，全承載式鋁合金車體由底架、側墻、車頂、端墻以及司機室幾大部分組成，各個組成部分由大型鋁合金擠壓型材進行拼焊，各個組成部分之間進行焊接連接.這種全承載式鋁合金車體承載著高速動車組運行過程中的所有載荷，對于高速動車組來說，車體剛度特性的性能，直接影響動車組車體的安全性、可靠性以及舒適性等關鍵指標[1-2].在我國《200km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》、《TB1335-1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》都對車體剛度要求做了說明.在車體設計、分析及試驗過程中，也嚴格要求車體底架邊梁在超員工況下，垂向最大變形不得超過車輛定距的1‰.

車體剛度是一個反應車體整體性能的指標，也是仿真分析、試驗驗證過程中首要考慮的問題，一旦車體垂向剛度不合格，很難通過局部修改實現整體剛度的提升.許多設計與分析人員對車體剛度都進行了研究[3-6]，其中謝素明[7]基于有限元仿真方法，做了大量計算分析工作，研究了剛度協調的設計方法.屈晶晶[8]以車身平穩性為指標評估車體剛度，分析了車下吊裝設備連接方式對車體及設備本身平穩性的影響.賀小龍[9]利用靈敏度思想，以車體不同部位厚度作為設計變量，研究了車體固有頻率和剛度隨不同區域型材厚度變化的關系.李焱[10]將車體分為五個部分，計算了不同部分對車體剛度的靈敏度信息，并在此基礎上進行了車體結構的輕量化設計.

當前對車體剛度的研究，多數以仿真分析為基礎，以計算結果來指導設計.本文通過理論分析，并編制了相應程序，計算了動車組車體典型斷面的抗彎剛度，在仿真分析前，就可以得到車體不同斷面的抗彎性能，為設計提供參考，縮短設計周期.

1 車體剛度影響因素及計算

高速動車組車體是由大型中空鋁合金型材焊接而成的筒形整體承載結構，車體抗彎剛度與其材料彈性模量、截面慣性矩、支撐條件密切相關，當車體材料和周邊支撐條件確定之后，截面慣性矩決定著車體的彎曲剛度.

如圖 1所示，對某一斷面任一對軸的慣性矩和慣性積，若X軸平行于面積形心坐標系的xc軸，兩者的距離為a；Y軸平行于yc軸，兩者的距離為b，那當前面積對X軸和Y軸的慣性矩應為：

(1)

這里，

x=xc+b,y=yc+a

(2)

將式(2)代入式(1)中，得：

(3)

(4)

Ix=Ixc+a2A

(5)

Iy=Iyc+b2A

(6)

圖1 任意平面圖形示意圖

2 車體斷面剛度計算程序

基于上述原理，原則上可以求解車體任意斷面的慣性矩信息，為了方便設計與分析，本文在ANSYS軟件平臺上，充分利用了APDL命令流的便捷性，開發了車體斷面幾何信息提取程序，實現了對一般斷面幾何特性的計算與輸出，利用此程序模塊，在ANSYS中能夠快速獲取斷面幾何面積、形心坐標、慣性矩、慣性積、形心主慣性矩等斷面信息，進一步能夠提取得到幾何斷面的剪切中心、翹曲常數、扭轉常數等.

利用上述二次開發程序，進行車體斷面剛度分析的基本流程如下：

(1)創建或導入幾何模型，進行模型簡化處理；

(2)切分車體，獲取不同位置的車體斷面幾何；

(3)定義單元類型、定義網格尺寸，對車體幾何斷面進行網格劃分；

(4)計算車體斷面幾何特性，按需輸出.

斷面特性工具箱是基于ANSYS軟件平臺開發的，采用UIDL構造界面、APDL參數化語言實現計算輸出，計算速度快，ANSYS各版本通用等優點.斷面特性工具箱被內嵌在主菜單的前處理部分，點擊"斷面特性工具箱"，進行計算與分析，工具箱調用界面如圖 2所示.

(a) 工具箱調用菜單

(b) 計算、數據輸出及繪圖界面

3 高速動車組車體斷面剛度分析

利用上述斷面剛度特性分析程序，分析了幾種動車組車體斷面剛度特性，總結提高斷面剛度特性的幾點原則，供設計人員參考.對高速動車組車體頭車與中間車，每列車分別選取了不同位置的幾個斷面.對于頭車，選取了司機室門斷面、車窗斷面、車體完整斷面、客室門斷面、客室小窗斷面幾處不同位置進行切割.對于中間車，由于車頂布置了受電弓、空調等設備，分別選取客室門斷面、平頂車窗斷面、車窗斷面、車體完整斷面、空調設備斷面幾個車體斷面進行分析.圖 3、圖 4中分別為頭車和中間車車體的五個典型斷面位置示意圖.通過調用分析程序，可以繪制不同截面的詳細形狀，計算得到的頭車車體的斷面特性見表 1，中間車車體的斷面特性計算結果見表2.

圖3 頭車車體橫斷面位置

圖4 中間車車體橫斷面位置

表1 頭車車體典型斷面物理特性計算結果

表2 中間車車體典型斷面物理特性計算結果

結合實際斷面形狀，分析表1數據可以看出，車體橫斷面缺少車窗部分時，相對于完整斷面，面積減少10.03%，Ixc減少0.92%，yc減少16.16%；車體橫斷面缺少車門部分時，相對于完整斷面，面積減少29.28%，Ixc減少9.7%，yc減少47.26%；由此可見車體側墻開車門之后，斷面抗彎能力近乎減半；在車體側墻開車窗且車頂開空調口時，相對于完整斷面，面積減少23.93%，Ixc減少35.8%，yc減少20.2%；在車體側墻開車門且車頂開空調口時，相對于完整斷面，面積減少35.64%，Ixc減少30.69%，yc減少44.13%；此時斷面慣性矩已嚴重降低，致使側門門角為強度薄弱區域之一.

車門空調斷面相對于車門斷面，面積減少8.9%，Ixc減少23.2%，yc反而增加5.9%，由組合圖形利用平行移軸定理并結合疊加法計算關于其形心軸慣性矩的原理可知：空調開口并非簡單地削弱yc，其開口大小決定車頂兩部分形心偏移yc的距離，由此可見yc不降反增主要是得益于車頂兩部分形心偏移yc的積極貢獻；車門空調斷面相對于車窗空調斷面，面積減少15.4%，yc上移68.3 mm，Ixc反而增加7.9%，由此可見提升斷面形心縱坐標有助于保持甚至增加Ixc.

由表2可以看出，車體橫斷面缺少車窗部分時，面積減少12.19%，Ixc減少0.3%，yc減少20.24%；在車體側墻開車窗且車頂為受電弓時，相對于完整斷面，面積減少7.7%，Ixc增加2.5%，yc減少20%；在車體側墻開車門且車頂為受電弓時，相對于完整斷面，面積減少33.6%，Ixc減少14.4%，yc減少58.56%；此時斷面慣性矩已嚴重降低，致使側門門角為強度薄弱區域之一.車體斷面開空調口時，面積減少15.02%，Ixc減少30.3%，yc減少2.9%；

值得注意的是，車窗受電弓斷面相對于完整斷面面積有所減小，但形心位置上移49.6 mm，致使Ixc不減反增.由此可見，車窗受電弓斷面有效地保持了斷面面積、維持了Ixc，有助于保障車體橫斷面的剛度協調.

從計算結果可以看出，其基本規律是，斷面慣性矩隨斷面面積的變化而變化，面積若增加，斷面慣性矩則增加；面積若減小，斷面慣性矩則減小，這就要求，設計過程中應該盡量保持截面形狀的完整性，在不可避免開孔位置，如空調、受電弓等車頂面積缺失部位應與車門車窗部位盡量避免相重疊，最起碼，應該是重疊部分越小越好，保證對整體剛度影響趨于最小化.

兩個車體截面特性計算結果也顯示，即便是相同面積的斷面，由于面積分布的不同，計算得到的抗彎剛度也不一樣，相同面積對慣性矩的貢獻不一樣，甚至一些面積較小的截面能提供更大的抗彎能力.從理論上分析，總面積相同，而面積分布不同，導致中性面位置的不同，而使截面慣性矩不同.不對稱的車體結構使得yc的變化對Ixc有著顯著的影響，yc變化越大對Ixc的影響越顯著.

4 結論

本文研究了高速動車組車體剛度設計方法，基于梁變形理論，設計開發了車體斷面特性分析程序，基于此程序，可以在設計過程中快速分析、提取車體斷面數據.根據所提取數據，分析了不同高速動車組車體、不同斷面的剛度變化以及主要影響參數.研究成果可以為設計人員提供理論支持和分析工具.