CR200J 動力集中型動車組車體結(jié)構(gòu)靜力與模態(tài)分析

張山高，張輝，閆青

（中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州車輛段，甘肅蘭州 730050）

CR200J 動力集中型動車組列車具有比普速列車方便快捷、舒適性高、服務(wù)品質(zhì)優(yōu)等優(yōu)點，比高速動車組列車運營范圍廣、成本低等優(yōu)勢，因而在普速鐵路開行CR200J 動力集中型動車組能夠滿足旅客市場需求，對于完善鐵路客運產(chǎn)品體系、提高普速鐵路客運運營效益具有重要的意義[1]。

CR200J 動力集中型動車組車體作為車輛的重要承載構(gòu)件，車體在運行過程中受到復(fù)雜載荷作用，包括列車的牽引力、制動力、各向沖擊載荷的作用力和來自車上設(shè)備振動產(chǎn)生的動載荷，因此為保證車體運行過程中的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，其結(jié)構(gòu)的強度和剛度必須滿足線路運行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求[2-3]。

本文首先通過ANSYS 有限元軟件分析了CR200J動力集中型動車組車體在不同載荷工況下的靜強度與剛度，找出車體應(yīng)力集中的部位及車體薄弱環(huán)節(jié)，分析其強度及剛度是否滿足要求。然后對該車體的前11階模態(tài)進行分析，計算得出各模態(tài)下車體的固有頻率及各階模態(tài)所對應(yīng)的振型圖。根據(jù)分析結(jié)果，提取出車體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的幾階主模態(tài)，得出其相應(yīng)的振型與固有頻率，分析其固有頻率是否滿足要求。

1 車體結(jié)構(gòu)

CR200J 動力集中型動車組分為短編組和長編組2種，其中短編組為9 輛編組，1 動7 托1 控，全部為座車；長編組為20 編，2 動18 拖，編組形式為1 輛動力車+4 輛二等臥車+5 輛一等臥車+1 輛二等座車/餐車+2輛二等座車+6 輛二等臥車+1 輛動力車[1]。

1.1 CR200J 動力集中型動車組車體結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

CR200J 動力集中型動車組車體結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如下：車體長度25 500 mm，車體寬度3 105 mm，車頂距軌面高度（空車時）4 433 mm，客室地面距軌面高度1 283 mm，車輛定距18 000 mm，自重55.8 t，載重12.36 t，整備質(zhì)量1.08 t，軸重小于等于16.5 t，車鉤中心線距軌面高度8800-30mm，最高運營速度160 km/h。

1.2 車體結(jié)構(gòu)的主要材料

CR200J 動力集中型動車組拖車車體結(jié)構(gòu)加工材料延用25T 型客車車體材料，其車體鋼結(jié)構(gòu)中用厚度小于等于6 mm的鎳鉻系耐候鋼、厚度小于等于2.5 mm的05CuPCrNi 鋼、厚度在3 ～6 mm 范圍內(nèi)的Q295GNHL 型鋼的板材和型材，普通碳素鋼板材的厚度大于6 mm。不銹鋼板主要用于車頂空調(diào)機組座處、洗臉間、廁所、鐵地板等易腐蝕部位，車體鋼結(jié)構(gòu)中所使用的所有鋼材具有良好的可焊性[4]。車體結(jié)構(gòu)采用全鋼的整體承載筒形結(jié)構(gòu)，下設(shè)裙板，可大大減小車體高速運行時的空氣阻力。

2 車體有限元模型的構(gòu)建

根據(jù)CR200J 動車組拖車車體的二維圖紙，在充分熟悉該車體的構(gòu)成部件及鋼結(jié)構(gòu)型材的結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，按照板殼單元的建模方法，省略一些不必要的細節(jié)和附件結(jié)構(gòu)，利用三維建模軟件分別建立車體底架、車頂、側(cè)墻和端墻的部件模型，并將部件進行組裝，完成車體足尺模型的建立。車體結(jié)構(gòu)三維模型如圖1 所示。

圖1 車體結(jié)構(gòu)三維模型

3 車體結(jié)構(gòu)靜強度及剛度分析

3.1 車體結(jié)構(gòu)工況計算

根據(jù)TB/T 1335—1996 規(guī)定，制定17 個計算工況進行計算，17 個具體工況及計算結(jié)果如表1 所示。

表1 載荷工況

3.2 有限元建模

以任意四節(jié)點薄殼單元為主，建立動車組車體的有限元模型。考慮拖車車體的底架與牽引梁、枕梁、緩沖梁連接方式的特點，在建模過程中，將它們之間的焊接關(guān)系由剛性單元來模擬，車頭與車體的鉚接傳力連接也是采用剛性單元來模擬。考慮到計算的準(zhǔn)確性與模擬的真實性，建立整個車廂的足尺模型，靜強度計算中的所有荷載工況均以整車結(jié)構(gòu)為計算對象。整車車體結(jié)構(gòu)的有限元模型共計120 772 個單元，66 237 個節(jié)點，模型如圖2 所示。

圖2 車體整體有限元模型

3.3 車體靜強度及剛度分析結(jié)果

車體靜強度分析：分析車體在17 種荷載工況下的靜強度，在工況1 5 下，車體最大工作應(yīng)力為155.11 MPa，小于材料的許用應(yīng)力216 MPa。其他工況下最大工作應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，車體強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且最大工作應(yīng)力與許用應(yīng)力之間均存在一定的差值，為后續(xù)安全維修提供參考依據(jù)。以工況4 和工況15 為例，車體應(yīng)力云圖如圖3、圖4 所示。

圖3 工況4 應(yīng)力云圖

圖4 工況15 應(yīng)力云圖

車體剛度分析：查閱標(biāo)準(zhǔn)可知，車體底架的變形不能超出定距的1/1 000[5-6]，即17.5 mm，車體剛度性能才能滿足要求，通過對車體在17 種載荷工況下剛度的分析，每種工況下車體底架的變形量均不超過17.5 mm，車體剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，以工況1、工況7和工況17 為例，位移云圖如圖5 所示。

圖5 位移云圖

4 車體結(jié)構(gòu)模態(tài)的分析

車體的固有頻率可以通過模態(tài)計算和分析得出，根據(jù)固有頻率得出相應(yīng)的振型，車體結(jié)構(gòu)的剛度協(xié)調(diào)性通過模態(tài)計算和分析而檢測到，可以避免產(chǎn)生共振，即轉(zhuǎn)向架固有頻率或車載設(shè)備的頻率不得接近或相等。并分析各階模態(tài)振型所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為車體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測提供參考依據(jù)[7-8]。取車體前十一階自由模態(tài)在ANSYS 有限元軟件平臺上對該車車體結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析計算，計算所得自由模態(tài)頻率及振型特征匯總?cè)绫? 所示。

表2 自由模態(tài)頻率及振型特征匯總表

對車體前十一階模態(tài)進行分析研究發(fā)現(xiàn)，不同模態(tài)下，車體的薄弱部位主要集中在側(cè)墻中部車窗附近區(qū)域、側(cè)墻與車頂連接區(qū)域及側(cè)墻與底架連接區(qū)域內(nèi)。

各階模態(tài)下，該區(qū)域內(nèi)的變形以及應(yīng)力都相應(yīng)較大，而在會車的過程中，該區(qū)域的受力面又比較大，所以在極限條件下該區(qū)域的結(jié)構(gòu)材料易產(chǎn)生疲勞，進而會降低該區(qū)域材料的強度，因此，設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注一階模態(tài)、二階模態(tài)和四階模態(tài)，其振型圖如圖6所示。

圖6 模態(tài)振型圖

5 結(jié)論

本文以CR200J 動力集中型動車組拖車車體為研究對象，通過建立有限元模型進行了車體結(jié)構(gòu)在幾種典型荷載工況下的靜力計算與模態(tài)分析，得出以下幾點結(jié)論：①分析得出該車體結(jié)構(gòu)的受力薄弱點為車廂端部底架區(qū)域，并通過分析最大工作應(yīng)力與許用應(yīng)力的差值及最大工作位移與位移限值的差，為延長該類型車體的維修修程及車身結(jié)構(gòu)的報廢年限提供參考依據(jù)，確保車體結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)運營階段的安全。②通過對該車體前十一階模態(tài)進行有限元模態(tài)分析計算，得出其固有頻率及各階振型圖。分析研究關(guān)鍵模態(tài)與固有頻率，得出在進行車體結(jié)構(gòu)維修及后期報廢評估的過程中應(yīng)重點關(guān)注一階模態(tài)、二階模態(tài)和四階模態(tài)作用下車體的變形以及應(yīng)力。