高速列车车体刚度及强度计算分析

 谢  宁，卢耀辉

（西南交通大学  机械工程学院，四川  成都  610031）

摘要：以某高速列车中间车车体为研究对象，在ANSYS中建立其有限元模型，在EN12663标准的基础上，对其进行刚度及静强度计算分析。计算结果表明：在计算工况下，车体垂向最大变形为6. 87 mm，最大当量应力为214. 418 M Pa;最大当量应力位置出现在车门门角处，小于材料的屈服强度，满足车体的刚度及静强度要求。

关键词：高速列车；有限元分析；刚度及强度中图分类号：TP391.7：U260. 32

0  引言

 随着高速动车组的普遍运行，对于高速列车车体强度方面的要求也越来越高，必须满足列车相关方面所规定的标准。本文以某高速列车中间车车体为例，在EN126 63车体强度评定准则的基础上，结合该动车组车体强度的计算特点，制定出高速车体静强度计算工况，对其刚度及强度进行了计算与分析，并且对结果进行评判。

1  中间车车体有限元模型的建立

1.1  中间车体有限元模型

 铝合金车体主要采用大型中空挤压型材，其厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，可以忽略沿厚度方向的应力变化。本文利用ANSYS建立车体有限元模型，由于车体受力情况复杂，需要承受纵向和横向剪切、垂向弯曲、纵向拉伸和压缩等载荷，因此建立车体有限元模型时采用shell63壳单元。选择合适单元尺寸，参照车体实际结构尺寸，对车体局部位置人工网格控制，使整个模型具有较好的网格精度。由于整车车体是对称模型，故选择半车进行有限元模型的建立及分析，节省了大量时间和运算步骤。建立的中间车车体有限元模型如图1所示，共包含155 226个单元，116 021个节点。

1.2  中间车车体材料特性

 A7NOl铝合金是Al-Zn-Mg系的中强可焊合金，在轨道列车结构材料中被大量使用，其焊接性能和焊缝质量都比较优越，是非常理想的中等强度结构焊接材料，但A7N01的焊接接头在轨道列车应用中也有应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等缺点。本高速列车所用的A7N01铝合金是我国国产的材料，其焊接填充材料采用SAF5356焊丝。A7N01铝合金及焊缝材料属性见表1。

2  中间车车体静强度及刚度分析

2.1  中间车车体静强度工况

 参考EN12663标准，结合该动车组车体强度计算特点，制定出高速列车车体静强度计算工况，其中部分工况状态见表2。

 具体载荷处理如下：

 (1)对于车体自重，在ANSYS前处理模块中输入车体铝合金材料的密度和重力加速度，程序根据模型各单元表面积、单元实常数自动将单元载荷因子的信息记人总载荷进行计算。

 (2)车内设备（如座椅）、乘客、行李等载荷，以均布载荷的形式作用在底架的侧梁上。

 (3)车顶空调设备、车体牵引变流器和冷却装置，按照设备安装点的实际位置，以集中载荷的形式平均作用在相应的节点上。

2.2  车体强度及刚度计算结果

 利用车体垂向载荷工况（工况1）计算的表形值来校核车体的刚度，计算得到了车体最大变形，如图2所示。由图2可知，车体底架侧梁垂向变形为6. 87 mm，相对变形较小，满足EN12663标准。

 表3为车体静强度计算结果。车体在第1～第6工况作用下，最大当量应力为214. 418 M Pa，产生于第5工况作用时，出现在车门门角处。同时车体上当量应力较大的部位还有车底设备悬挂处、车体侧墙与底架交界处，而其余部位的应力则较小。

 机车车辆承载结构在相关标准规定的载荷作用下，其静强度满足设计和运行的条件为：

 (1)在正常运行载荷作用下，其最大Von_ Mises应力不大于车体材料的许用应力，即：

 上述工况中，工况1为正常运行载荷，用式(1)进行校核，材料的许用应力用材料屈服极限Ós与安全系数S的商计算，根据我国标准< 200 km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》，正常运行载荷下安全系数S=1.5。A7N01铝合金材料屈服极限为295 M Pa（不考虑焊缝处），则材料许用应力为197 M Pa，所以该车体满足静强度要求。

 工况2～工况6为非正常运行载荷，按式(2)进行校核，材料屈服极限为295 M Pa，故满足静强度要求。

3结论

 (1)在静载荷作用下，车体结构变形协调，底架侧梁垂向变形为6. 87 mm，相对变形较小，满足刚度要求。

 (2)参照EN12663标准确定车体的6个静载荷工况，在静载荷作用下，车体最大当量应力为214. 418 M Pa，产生于工况5，出现在车门门角处，该最大当量应力小于材料的屈服强度，满足静强度要求。