剛度協(xié)調(diào)策略在高速列車車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

張相寧 李明高 高峰 劉東亮 伊召鋒

摘要：作為關(guān)鍵的人機(jī)界面部件和承載部件，高速列車車體在列車高速運行過程中承受著復(fù)雜多變的力學(xué)問題，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，并造成強(qiáng)度問題和疲勞問題。若利用剛度協(xié)調(diào)策略，通過改進(jìn)車體斷面及局部結(jié)構(gòu)，可以使應(yīng)力幅值有較大幅度的降低。文章對剛度協(xié)調(diào)策略在高速列車車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：剛度協(xié)調(diào)策略；高速列車；車體結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；應(yīng)力幅值 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U271 文章編號：1009-2374（2016）05-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.015

1 概述

近年來，隨著我國高速列車的迅猛發(fā)展，特別是京滬、京廣、哈大等高速鐵路開始運營以來，對高速列車運行能力的要求不斷提高。作為關(guān)鍵的人機(jī)界面部件和承載部件，高速列車車體在列車高速運行過程中，承受著復(fù)雜多變的力學(xué)問題，如巨大的牽引力、空氣阻力等，車體的強(qiáng)度問題和疲勞問題尤為突出，因此，開展高速列車車體關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究，降低其應(yīng)力幅值，對于保障列車安全運行具有重要意義。

列車關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分為三個方面，即尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)洌ú季郑﹥?yōu)化。高速列車車體一般采用大型擠壓中空鋁型材焊接而成，容易產(chǎn)生強(qiáng)度問題和疲勞問題的為應(yīng)力集中區(qū)域，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]可知，應(yīng)力集中不過是現(xiàn)象，本質(zhì)則是剛度的突然變化所致。大量的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算及試驗結(jié)果也表明，應(yīng)力在固體局部區(qū)域內(nèi)顯著增高的現(xiàn)象，多出現(xiàn)于尖角、孔洞、缺口、溝槽以及有剛性約束處及其鄰域。因此，利用剛度協(xié)調(diào)策略，通過形狀優(yōu)化來減小剛度突然變化是降低應(yīng)力集中系數(shù)、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲備和剛度儲備的有效優(yōu)化設(shè)計途徑。本文以某型號動車組為研究對象，利用剛度協(xié)調(diào)策略，在車體靜強(qiáng)度計算與試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)車體斷面及局部結(jié)構(gòu)，使應(yīng)力幅值有較大幅度的降低。

2 車體模型簡介

本文所研究的動車組車體結(jié)構(gòu)采用全鋁合金整體承載內(nèi)走廊式結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻、車頂?shù)群附咏M成。在ANSYS中建立車體幾何模型，然后進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，車體平均網(wǎng)格邊長為80mm，主要采用板殼單元模擬，側(cè)門上角及端門補(bǔ)強(qiáng)角采用實體網(wǎng)格，車體與轉(zhuǎn)向架接口處、枕內(nèi)外頂車位處、端墻加載區(qū)域、車鉤安裝區(qū)域等處設(shè)rbe3單元。車體材料為鋁合金，彈性模量E=69GPa，泊松比μ=0.33，剪切模量G=2（1+μ）/E，動車組有限元模型見圖1。

3 主要計算工況和結(jié)果分析

計算工況共計21個工況：8個縱向工況、9個抬車工況、1個垂向工況、1個扭轉(zhuǎn)工況和2個組合工況。在所有計算工況中，1500kN車端壓縮與垂向靜載組合工況的載荷工況最復(fù)雜，故以該工況分析校核強(qiáng)度。

3.1 載荷施加

在車內(nèi)地板上施加均布載荷；在車內(nèi)地板主變壓器和主變換裝置所在位置施加集中載荷；在兩端牽引梁處施加1500kN的壓力。

3.2 位移約束

在對稱剖面上施加對稱邊界條件（y向位移越多，x向和z向轉(zhuǎn)動約束）；在車輪支撐處，通過剛性梁單元施加z向位移約束；CE2端局部施加x向位移約束。中間車位移約束為：在對稱面上施加對稱位移約束（y向位移約束，x向和z向轉(zhuǎn)動約束）；在車輪區(qū)域添加剛性單元并在剛性單元的末端施加z向位移約束。

3.3 計算結(jié)果分析

中間車的最大應(yīng)力發(fā)生在牽引梁末端區(qū)域，此處包含牽引梁腹板型材與底架地板型材的對接焊縫以及牽引梁腹板型材與牽引梁下蓋板型材的對接焊縫，其中最大應(yīng)力為145MPa，大于焊縫熱影響區(qū)材料的屈服極限115MPa，該處結(jié)構(gòu)不能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在車輛運行過程中極有可能會發(fā)生損壞。因此，有必要對此區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

除牽引梁區(qū)域外，在頂部與側(cè)墻交界處的圓弧處有應(yīng)力集中且此處應(yīng)力分布不均，梯度較大，如圖3所示：

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 局部區(qū)域優(yōu)化

根據(jù)計算結(jié)果與試驗結(jié)果可知，牽引梁區(qū)域需要優(yōu)化改進(jìn)。對牽引梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)牽引梁腹板型材與底架地板型材的對接焊縫以及牽引梁腹板型材與牽引梁下蓋板型材的對接焊縫處存在缺口，截面面積發(fā)生突變，拉壓剛度相應(yīng)變化，造成較大應(yīng)力集中。為了降低應(yīng)力值，可利用剛度協(xié)調(diào)策略，將缺口處打磨圓滑，其有限元網(wǎng)格見圖4，該區(qū)域的最大應(yīng)力值降為111.8MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4.2 斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

型材之間的相互連接狀況以及型材自身的斜筋布置、型腔大小都會影響應(yīng)力的分布。調(diào)整型材SFE10-001XC第一個型腔的大??；對型材SFE10-003XC進(jìn)行了內(nèi)筋疏化。圖6（a）和6（b）分別給出了優(yōu)化前后型材的不同布置，圖7為優(yōu)化結(jié)構(gòu)后應(yīng)力結(jié)果。

（a）優(yōu)化前 （b）優(yōu)化后

5 試驗驗證

試驗工況共計15個工況：10個縱向工況、4個抬車工況、1個垂向工況及若干個組合工況，在1500kN車端壓縮與垂向靜載組合工況的載荷工況下，牽引梁末端區(qū)域也出現(xiàn)了應(yīng)力超標(biāo)，最大應(yīng)力為137MPa。

同樣，在靜強(qiáng)度試驗時，按照優(yōu)化后的三維模型樣式對缺口處打磨圓滑，但是由于人工打磨不能達(dá)到三維模型的精細(xì)度，該區(qū)域的最大應(yīng)力值為114.6MPa，小于焊接區(qū)域材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

6 結(jié)語

通過有限元計算及車體靜強(qiáng)度試驗對某動車組車體進(jìn)行了分析和校核，在牽引梁區(qū)域的牽引梁腹板型材與底架地板型材的對接焊縫、牽引梁腹板型材與牽引梁下蓋板型材的對接焊縫處以及在頂部與側(cè)墻交界處的圓弧處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。利用剛度協(xié)調(diào)策略對上述區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其最大應(yīng)力峰值均有較大幅度降低，滿足了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉輝，馬紀(jì)軍，姬芳芳，等.高速列車車體數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計[J].計算機(jī)輔助工程，2012，21（4）.

[2] 丁彥闖，兆文忠.提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的剛度協(xié)調(diào)策略與應(yīng)用[J].焊接學(xué)報，2007，28（12）.

基金項目：鐵道部科技項目（項目編號：2012J003-C）。

作者簡介：張相寧（1982-），男，河北辛集人，唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心工程師，工學(xué)碩士，研究方向：軌道車輛仿真計算。

（責(zé)任編輯：周 瓊）