25T客車車體結構靜強度計算及振動模態(tài)分析

安紅恩，張　鵬

(黃河交通學院，河南 武陟　454950)

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25T客車車體結構靜強度計算及振動模態(tài)分析

安紅恩，張鵬

(黃河交通學院，河南 武陟454950)

摘要：根據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》和BS EN12663-1:2010 《Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies》的有關要求，在與工廠相關技術人員討論的基礎上，確定了計算載荷、計算工況和評定方法；根據(jù)詳細的車體結構有限元力學模型，采用通用有限元NSTRAN軟件計算了車體結構的靜強度、振動模態(tài)以及結構穩(wěn)定性。計算結果表明：車體結構的靜強度在各計算工況下皆能滿足TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》的要求。

關鍵詞：碳鋼車體結構；靜強度；振動模態(tài)；有限元

隨著軌道交通車輛制造技術的不斷提高，客車車體以其美觀的外形、高強度的質量比、良好的耐腐蝕性、較低的維護費、較長的使用壽命、較高的安全性等優(yōu)點，得到了社會的青睞。為檢驗其設計的合理性、結構的優(yōu)化性，必須對客車車體的結構進行模態(tài)的分析和靜強度的計算。

南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司技術中心客車設計部設計的25T型客車車輛的車體結構由底架、左右側墻、車頂、端墻組成，車體結構承載件均為碳鋼材料，所有結構均采用焊接連接形成整體，主要焊接形式為搭接焊、對接焊、角焊和塞焊[1]。

本次計算分析按照TB/T1335—1996標準中對車體結構靜強度、剛度和振動模態(tài)的規(guī)定和BS EN 12663-1:2010標準中對車體結構的穩(wěn)定性規(guī)定進行。在計算模型的建立中，充分考慮了車體各部分連接的真實情況，車體結構的薄板采用殼單元進行離散，塞焊連接處采用特殊的點焊單元模擬其連接。所有計算分析均在有限元通用商業(yè)軟件NASTRAN上完成。

1模型說明

車體結構各部位所用材料如表1所示。

表1　車體結構所用材料的分布表

2載荷及計算工況

2.1載荷

根據(jù)公司提供的設計資料，車體的重量分布如表2所示。

表2　車體重量分布

(續(xù)表)

2.2各工況載荷及約束

質量符號說明如表3。

表3　質量符號說明/kg

對設計的8個靜強度工況和4個振動模態(tài)及穩(wěn)定性計算工況分別施加載荷和約束，其模態(tài)和穩(wěn)定性工況說明如表4。

表4　模態(tài)和穩(wěn)定性工況說明

3驗收標準

3.1靜強度要求

靜強度計算分析的驗收標準如下：

(1)不產(chǎn)生永久變形。

(2)根據(jù)TB/T1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》的要求，通過計算得到的材料的應力值在一般工況下必須小于等于相應的許用應力，在設備沖擊工況下也必須小于等于相應的許用應力[2-3]。

3.2彎曲剛度要求

車體側墻的彎曲等效剛度應大于等于1.8×109N·m2。

3.3扭轉剛度要求

車體結構的扭轉等效剛度應大于等于5.5×108N·m2。

3.4穩(wěn)定性要求

車體結構在滿載和壓縮狀態(tài)下，各部分結構的最小屈曲載荷因子大于1.5。

4車體的模態(tài)分析

4.1車體承載結構模態(tài)分析

如表5所示，車體結構的一階垂向彎曲振動頻率最小值為16.564 Hz，車體結構的一階扭轉振動頻率最小值為21.397 Hz，一階菱形變形頻率最小值為8.616 Hz，能有效避開與轉向架的相關振動模態(tài)[4-5]。

表5　車體自振頻率/Hz

4.2整備狀態(tài)下模態(tài)分析

如表6所示，整備狀態(tài)下車體的一階垂向彎曲振動頻率最小值為10.04 Hz，車體結構的一階扭轉振動頻率最小值為12.57 Hz，一階菱形變形頻率最小值為5.721 Hz，能有效避開與轉向架的相關振動模態(tài)。

表6　車體自振頻率/Hz

5車體穩(wěn)定性分析

對車體進行了滿載狀態(tài)和壓縮狀態(tài)的穩(wěn)定性分析，考核車體結構在極限載荷作用下的結構穩(wěn)定性。表7列出了在兩種狀態(tài)下結構失穩(wěn)的固有頻率及其出現(xiàn)的位置。計算結果表明車體結構的穩(wěn)定性滿足標準要求[6]。

6結論

按照TB/T1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》，對車體結構的7種靜強度考核工況、2種結構振動模態(tài)考核工況以及2種穩(wěn)定性考核工況進行了計算分析，可以得出以下結論：

一是車體結構的靜強度在各計算工況下皆能滿足標準的要求。

二是車體結構的等效彎曲剛度和等效扭轉剛度皆滿足標準要求。

三是車體的一階垂直彎曲頻率為10.04 Hz，與通常此類型車輛頻率相近，需根據(jù)轉向架的振動頻率判斷有無共振可能性。

四是車體在滿載和壓縮狀態(tài)下最小屈曲因子均大于1.5，滿足標準規(guī)定的要求。

參考文獻

[1]魯寨軍,田紅旗,周丹.270km·h-1高速動車模態(tài)分析[J].中國鐵道科學,2005,26(6):18-19.

[2]張曙光．高速列車設計方法研究[M]．北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]郝魯波，胡青泥，李剛．整備狀態(tài)下客車模態(tài)的有限元分析探討[J]．鐵道車輛，2004，42(11)：4-7．

[4]許彥強，肖守訥．某出口米軌動車組(Tc車)車體設計及試驗對比研究[J]．鐵道機車車輛,2012,32(3):71-75.

[5]鄒遠．高速列車車體斷面優(yōu)化設計[D]．成都：西南交通大學,2011.

[6]江太宏．動力加載車車體設計分析與試驗驗證[D]．成都：西南交通大學，2012.

[責任編輯：趙偉]

收稿日期：2016 - 03 - 02

作者簡介：安紅恩(1982—)，男，河南商丘人，黃河交通學院汽車工程學院講師，碩士， 研究方向為車輛裝備及液壓控制。 張鵬(1981—)，男，江蘇揚州人，黃河交通學院汽車工程學院講師，碩士，研究方向為車輛及其裝備系統(tǒng)動力學。

中圖分類號:U260.32

文獻標志碼:A

文章編號：1008-6811(2016)02-0038-03

25T Bus Body Structure Static Strength Calculation and Analysis of Vibration Modes

An Hongen,Zhang Peng

(Huanghe Jiaotong University, Wuzhi 454950,China)

Abstract:According TB / T 1335—1996 "railway vehicle strength design and test evaluation norms" and EN12663—1: 2010 "Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies", the load calculation, calculation conditions and evaluation method is determined on the basis of discussions with the technical staff in the factory; based on detailed finite element model of the body structure,using finite element program NSTRAN software to calculate the vehicle body static strength body structure, vibration modes and structural stability. The results show that: the static strength of the body structure in the calculation of operating conditions Jieneng meet TB / T 1335—1996 "railway vehicle strength design and test evaluation" requirements.

Key words:carbon steel body structure; static strength; vibration mode; finite element