新一代高速动车组中间车车体的强度及自振频率

赵士忠，田爱琴，赵国忠，伊召锋

(1.中国北车集团 青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266555;2.工业装备结构分析国家重点实验室，大连理工大学工程力学系，辽宁 大连 116024)

0 引言

随着中国高速铁路的快速发展，特别是350 km/h及以上速度的新一代高速动车组投入建设以来，为了满足高速列车的运行需求，对车体结构的强度、刚度等性能的要求也更加严格［1］.高速列车车体是关键的人机界面部件和承载部件，车体的技术状态影响列车的安全可靠性和舒适性，因此对高速列车车体的研究具有重要的意义.

目前对于高速列车车体的研究主要集中在常规动车组，文献［2］对高速列车车体自振频率进行了研究;文献［3］对CRH3型动车组车体进行了结构强度分析;文献［4］对高速动车组拖车车体结构强度及优化设计进行了研究;文献［5］对于动车组车体断面进行优化仿真分析.本文以京沪高铁的新一代高速动车组CRH2型的中间车车体为研究对象，对不同载荷工况作用下的车体强度，自振模态及频率进行了有限元分析和评估，为车体结构的优化提供了设计依据.

1 新一代动车组车体结构

新一代高速列车车体钢结构采用全铝合金整体承载内走廊式结构，由底架、侧墙、车顶、端墙等四部分焊接而成.车体几何模型如图1所示.

图1 几何模型

车体主要结构的特点如下：

底架：主要包括牵引梁、枕梁、边梁、横梁以及地板等，主要是由铝合金挤压型材和铝合金板焊接而成，地板为30 mm厚的双层中空铝型材地板.

侧墙：采用大型中空挤压型材，不设车内侧立柱，挤压型材上设置通长的T型槽，便于内部部件的安装.

车顶：车顶型材之间的焊接采用在车体长度方向上连续焊接，车顶和侧墙的连接采用车内侧、外侧连续焊接结构.

端墙：端墙主体为双层中空铝型材.

2 新一代动车组车体静强度分析

2.1 有限元模型

整个车体钢结构为铝板、梁、型材焊接结构，故基本结构：侧墙、车顶、端墙均按四节点薄板单元离散，底架枕梁、牵引梁、横梁等按四节点薄板单元离散，型材地板为薄板与梁组合离散.利用Hypermesh划分网格，平均网格边长为40 mm，板单元大部分采用四节点四边形单元，部分采用三节点三角形单元;整车计算模型共分为785869个单元，609551个节点，其中在载荷施加的位置以及车体挂件的位置都进行了刚体单元的处理.车体有限元模型如图2所示.

图2 有限元模型

参照相关车体设计规范共进行了4个典型工况的分析，包括垂向载荷工况、车端压缩工况、车端拉伸工况、扭转工况.

2.2 主要工况介绍

计算中的单位约定为：长度单位为mm;力的单位为N;应力单位为MPa;坐标系约定为：X向为车体长度方向;Y向为车体高度方向，Z向为车体宽度方向.计算时需要考虑的主要车体挂件有主变压器和主变换装置，其具体位置如图3所示.

图3 挂件分布

(1)垂向载荷工况

载荷施加：在车内地板上施加均布载荷，在车内地板主变压器和主变换装置所在位置施加集中载荷.

边界条件施加：在枕梁位置施加两个方向(X、Y)的位移约束.

(2)车端压缩工况

载荷施加：在车内地板上施加均布载荷;在车内地板主变压器和主变换装置所在位置施加集中载荷;在两端牵引梁处施加980 kN的压力.

边界条件施加：在枕梁位置施加两个方向(X、Y)的位移约束.

(3)车端1 000 kN拉伸工况

载荷施加：在车内地板上施加均布载荷，在车内地板主变压器和主变换装置所在位置施加集中载荷，在两端牵引梁处施加980kN的压力.

边界条件施加：在枕梁位置施加两个方向(X、Y)的位移约束.

(4)扭转工况

载荷施加：在二位端的枕梁处施加大小相等方向相反的力F=16.26 kN，力之间的距离为S=2 460 mm，使得F×S=40 kN·m，用于模拟扭矩40 kN·m的工况.

边界条件施加：一位端枕梁处约束两个方向(X、Y)的位移自由度，二位端枕梁处约束一个方向(Y)的位移自由度.

2.3 计算结果及强度评估

(1)计算结果

表1列出了包括垂向载荷工况、压缩工况、拉伸工况、扭转工况下的位移最大值和高应力值以及出现位置，各工况下的应力云图如图4～7所示.

表1 各工况位移及应力

图4 垂向载荷工况下的应力云图

图5 压缩载荷工况下的应力云图

图6 拉伸载荷工况下的应力云图

图7 扭转载荷工况下的应力云图

(2)静强度评估

根据有限元的计算结果，对各主要荷载工况下的强度状况进行评估.

①车体在垂直载荷工况下，最大等效应力位于窗角，数值是92.46 MPa，数值小于该部位的许用应力205 MPa，符合静强度要求;

②车体在压缩工况和车体拉伸工况下，最大等效应力位于二位端枕梁部位，数值为140.1 MPa，小于该部位材料的许用应力245 MPa，符合静强度要求;

③车体在扭转工况下，最大应力位于二位端约束，数值为25.25 MPa，小于该部位材料的许用应力245 MPa，符合静强度要求.

3 车体自由振动的模态分析及相当弯曲刚度评估

车体结构的模态是评价高速列车在运行安全性和乘坐舒适性上的一个重要参数［6］，模态分析也是高速列车车体设计中结构分析的主要内容之一［7］，尤其是低阶模态，能反映车体整体的刚度性能，常常作为控制高速列车车体常规振动的关键指标.

3.1 模态分析

模态分析按自由边界条件处理，对车架的振动响应影响相对较大的激励多集中在低频域，故本文只提取前六阶频率(不含前六阶刚体模态)，车体各阶频率特性如表2所示，车体一阶垂向弯曲振型图和一阶扭转振型图如图8和图9所示.

表2 频率特性

图8 一阶垂向弯曲振型图

3.2 相当弯曲刚度计算

相当弯曲刚度与一阶弯曲固有频率的近似理论计算公式［8］如下：相当弯曲刚度其中，W为垂直载荷，取447.84 kN;l1为车辆定距，取17500 mm;l2为前端转向架中心到前端距离，取3 500 mm;l3为后端转向架中心到后端距离，取3 500 mm;δ为车体中央挠度，取8.233 mm;l为车体总长，即l=l1+l2+l3=24500 mm.各参数代入上式得到相当弯曲刚度为2.183E9 N·m2.

其中，wc为车体自重=83.02 kN，g=9 800 mm/s2.因此一阶弯曲固有频率为12.24 Hz.

3.3 刚度评估

(1)根据车体中央挠度计算得到：车体相当弯曲刚度为2.183E9N·m2，大于标准规定的1.8 E9N·m2，符合刚度要求.

(2)根据车体中央挠度估算得到：车体的一阶弯曲固有频率为12.24 Hz，大于10 Hz，符合标准要求.

(3)根据有限元法计算得到车体在全自由状态下的一阶垂向弯曲固有频率为18.025 Hz.根据文献［9］整备后车体弯曲振动频率总体降低20%左右.由此估算，新一代动车组整备后弯曲振动频率为14.4 Hz，与理论估算值比较接近，同样高于标准规定的10 Hz.

4 结论

(1)本文利用Hypermesh软件进行前处理，利用Ansys软件作为求解器进行了新一代动车组中间车车体的有限元分析;

(2)在静强度评估中发现车体的强度满足要求，在车端压缩工况中局部区域应力值比较大，建议在设计时重点关注此处;

(3)在刚度评估中通过对近似理论计算得到的相当弯曲刚度和仿真分析计算的一阶垂向弯曲固有频率的评估，验证了本文计算模型的有效性，也为车体的实际结构设计及进一步的结构优化提供了参考依据.

［1］钱立新.世界高速铁路技术［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［2］王贺鹏.车体自振频率的研究［D］.大连：大连交通大学，2005.

［3］郭春丽，齐淑萍.CRH3型动车组中间车车体结构强度分析［J］.中国制造业信息化，2010，39(13)：47-50.

［4］王爱彬.高速动车组拖车车体结构强度分析及优化设计［D］.北京：北京交通大学，2010.

［5］李红霞，杨弘，李德才.高速列车车体断面优化数值分析［J］.铁道车辆，2007，46(2)：8-10.

［6］雷成，肖守讷.地铁铝合金车体的结构设计和强度分析［J］.机车电传动，2006(1)：54-56.

［7］王贺鹏，佟维.车体模态测试仿真［J］.内燃机车，2008(4)：1-4.

［8］李凌轩，冯菲，马源源，等.某型号高速列车M车刚度及静强度评估［J］.中国工程机械学报，2009，7(4)：1-5.

［9］白彦超，胡震，黄烈威.出口加纳动车组动车车体强度有限元分析及结构优化［J］.铁道车辆，2009，47(12)：17-21.