高速動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)斷面剛度特性分析

王劍,達(dá)瓦 ,張振 ,馬紀(jì)軍

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

0 引言

高速動(dòng)車組車體大多數(shù)采用全承載式鋁合金結(jié)構(gòu)，全承載式鋁合金車體由底架、側(cè)墻、車頂、端墻以及司機(jī)室?guī)状蟛糠纸M成，各個(gè)組成部分由大型鋁合金擠壓型材進(jìn)行拼焊，各個(gè)組成部分之間進(jìn)行焊接連接.這種全承載式鋁合金車體承載著高速動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中的所有載荷，對(duì)于高速動(dòng)車組來(lái)說(shuō)，車體剛度特性的性能，直接影響動(dòng)車組車體的安全性、可靠性以及舒適性等關(guān)鍵指標(biāo)[1-2].在我國(guó)《200km/h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》、《TB1335-1996鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》都對(duì)車體剛度要求做了說(shuō)明.在車體設(shè)計(jì)、分析及試驗(yàn)過(guò)程中，也嚴(yán)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(guò)車輛定距的1‰.

車體剛度是一個(gè)反應(yīng)車體整體性能的指標(biāo)，也是仿真分析、試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中首要考慮的問題，一旦車體垂向剛度不合格，很難通過(guò)局部修改實(shí)現(xiàn)整體剛度的提升.許多設(shè)計(jì)與分析人員對(duì)車體剛度都進(jìn)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(jì)算分析工作，研究了剛度協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)方法.屈晶晶[8]以車身平穩(wěn)性為指標(biāo)評(píng)估車體剛度，分析了車下吊裝設(shè)備連接方式對(duì)車體及設(shè)備本身平穩(wěn)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(shè)計(jì)變量，研究了車體固有頻率和剛度隨不同區(qū)域型材厚度變化的關(guān)系.李焱[10]將車體分為五個(gè)部分，計(jì)算了不同部分對(duì)車體剛度的靈敏度信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì).

當(dāng)前對(duì)車體剛度的研究，多數(shù)以仿真分析為基礎(chǔ)，以計(jì)算結(jié)果來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì).本文通過(guò)理論分析，并編制了相應(yīng)程序，計(jì)算了動(dòng)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(shè)計(jì)提供參考，縮短設(shè)計(jì)周期.

1 車體剛度影響因素及計(jì)算

高速動(dòng)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(jié)構(gòu)，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(guān)，當(dāng)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(duì)某一斷面任一對(duì)軸的慣性矩和慣性積，若X軸平行于面積形心坐標(biāo)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(dāng)前面積對(duì)X軸和Y軸的慣性矩應(yīng)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(jì)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(shè)計(jì)與分析，本文在ANSYS軟件平臺(tái)上，充分利用了APDL命令流的便捷性，開發(fā)了車體斷面幾何信息提取程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一般斷面幾何特性的計(jì)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(biāo)、慣性矩、慣性積、形心主慣性矩等斷面信息，進(jìn)一步能夠提取得到幾何斷面的剪切中心、翹曲常數(shù)、扭轉(zhuǎn)常數(shù)等.

利用上述二次開發(fā)程序，進(jìn)行車體斷面剛度分析的基本流程如下：

(1)創(chuàng)建或?qū)霂缀文Ｐ?，進(jìn)行模型簡(jiǎn)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(wǎng)格尺寸，對(duì)車體幾何斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

(4)計(jì)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(tái)開發(fā)的，采用UIDL構(gòu)造界面、APDL參數(shù)化語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)計(jì)算輸出，計(jì)算速度快，ANSYS各版本通用等優(yōu)點(diǎn).斷面特性工具箱被內(nèi)嵌在主菜單的前處理部分，點(diǎn)擊"斷面特性工具箱"，進(jìn)行計(jì)算與分析，工具箱調(diào)用界面如圖 2所示.

(a) 工具箱調(diào)用菜單

(b) 計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出及繪圖界面

3 高速動(dòng)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(dòng)車組車體斷面剛度特性，總結(jié)提高斷面剛度特性的幾點(diǎn)原則，供設(shè)計(jì)人員參考.對(duì)高速動(dòng)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(gè)斷面.對(duì)于頭車，選取了司機(jī)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(jìn)行切割.對(duì)于中間車，由于車頂布置了受電弓、空調(diào)等設(shè)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(diào)設(shè)備斷面幾個(gè)車體斷面進(jìn)行分析.圖 3、圖 4中分別為頭車和中間車車體的五個(gè)典型斷面位置示意圖.通過(guò)調(diào)用分析程序，可以繪制不同截面的詳細(xì)形狀，計(jì)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(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果

表2 中間車車體典型斷面物理特性計(jì)算結(jié)果

結(jié)合實(shí)際斷面形狀，分析表1數(shù)據(jù)可以看出，車體橫斷面缺少車窗部分時(shí)，相對(duì)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(shí)，相對(duì)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(cè)墻開車門之后，斷面抗彎能力近乎減半；在車體側(cè)墻開車窗且車頂開空調(diào)口時(shí)，相對(duì)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(cè)墻開車門且車頂開空調(diào)口時(shí)，相對(duì)于完整斷面，面積減少35.64%，Ixc減少30.69%，yc減少44.13%；此時(shí)斷面慣性矩已嚴(yán)重降低，致使側(cè)門門角為強(qiáng)度薄弱區(qū)域之一.

車門空調(diào)斷面相對(duì)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(jié)合疊加法計(jì)算關(guān)于其形心軸慣性矩的原理可知：空調(diào)開口并非簡(jiǎn)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(xiàn)；車門空調(diào)斷面相對(duì)于車窗空調(diào)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(biāo)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(shí)，面積減少12.19%，Ixc減少0.3%，yc減少20.24%；在車體側(cè)墻開車窗且車頂為受電弓時(shí)，相對(duì)于完整斷面，面積減少7.7%，Ixc增加2.5%，yc減少20%；在車體側(cè)墻開車門且車頂為受電弓時(shí)，相對(duì)于完整斷面，面積減少33.6%，Ixc減少14.4%，yc減少58.56%；此時(shí)斷面慣性矩已嚴(yán)重降低，致使側(cè)門門角為強(qiáng)度薄弱區(qū)域之一.車體斷面開空調(diào)口時(shí)，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(duì)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(xié)調(diào).

從計(jì)算結(jié)果可以看出，其基本規(guī)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(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)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(diào)、受電弓等車頂面積缺失部位應(yīng)與車門車窗部位盡量避免相重疊，最起碼，應(yīng)該是重疊部分越小越好，保證對(duì)整體剛度影響趨于最小化.

兩個(gè)車體截面特性計(jì)算結(jié)果也顯示，即便是相同面積的斷面，由于面積分布的不同，計(jì)算得到的抗彎剛度也不一樣，相同面積對(duì)慣性矩的貢獻(xiàn)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(dǎo)致中性面位置的不同，而使截面慣性矩不同.不對(duì)稱的車體結(jié)構(gòu)使得yc的變化對(duì)Ixc有著顯著的影響，yc變化越大對(duì)Ixc的影響越顯著.

4 結(jié)論

本文研究了高速動(dòng)車組車體剛度設(shè)計(jì)方法，基于梁變形理論，設(shè)計(jì)開發(fā)了車體斷面特性分析程序，基于此程序，可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中快速分析、提取車體斷面數(shù)據(jù).根據(jù)所提取數(shù)據(jù)，分析了不同高速動(dòng)車組車體、不同斷面的剛度變化以及主要影響參數(shù).研究成果可以為設(shè)計(jì)人員提供理論支持和分析工具.