米轨内燃动车组车体有限元分析及试验验证

米轨内燃动车组车体有限元分析及试验验证
高峰;李明高;伊召锋;赵明
【摘要】针对出口米轨内燃动车组头车车体,采用有限元分析法进行车体静强度仿真分析及模态分析,依据计算结果对车体结构进行优化,并在样车完成试制后开展了
车体静强度、模态及平稳性测试,进一步验证了车体设计的安全、可靠及舒适性.【期刊名称】《轨道交通装备与技术》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】3页(P44-46)
【关键词】动车组;静强度;模态;有限元;试验
【作者】高峰;李明高;伊召锋;赵明
【作者单位】唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心河北唐山063035;唐
山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心河北唐山063035;唐山轨道客车有限
责任公司产品技术研究中心河北唐山063035;唐山轨道客车有限责任公司产品技
术研究中心河北唐山063035
【正文语种】中文
【中图分类】U270.1+2
唐山轨道客车有限责任公司自主研制的出口内燃电传动车组，采用动力分散式设计，由2辆动车和1辆拖车组成。

与国内铁路相比，国外运营线路条件十分恶劣，且
铁路部门的运用和维护人员技术水平较低，因此对动车组车体结构设计的安全性及
可靠性提出了较高的要求。

1 动车组主要技术参数
该动车组依据我国国家标准(GB)、铁路行业标准(TB)和模块化理念进行设计，采用2动1拖配置，最大载重21 t，最高运营速度80 km/h。

2 头车车体结构
头车车体为整体承载无中梁薄壁筒形结构，主要由底架、侧墙、车顶和端墙4大部件组成;车体Ⅰ位端为司机室，Ⅱ位端为车体端墙，如图1所示。

司机室是由钢骨架和玻璃钢外壳组成的整体独立模块，通过螺栓与车体固定连接。

图1 车体钢结构组成
3 车体有限元计算
3.1 车体静强度仿真分析
目前，国内还没有适用于米轨客车及动车组的通用技术条件和试验体系，结合用户需求，车体强度设计参考标准EN 12663－1:2010《铁道应用—轨道车身的结构要求》中P－Ⅲ类型车辆，纵向压缩载荷取800 kN，纵向拉伸载荷取600 kN，具体的载荷工况如表1所示。

表1 车体静强度载荷工况其中:m1为整备状态下车体的质量;m2为转向架的质量;m3为超员状态下的乘客质量。

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基于上述11种工况的分析计算，可以掌握各种工况下整车及关键承载部位的应力水平。

同时，为了满足动车组轴重要求，通过对车体强度余量较大的部位采取减小板厚或挖孔、改进断面尺寸及分散结构受力等措施，开展了车体减重优化设计。

经过多方案的对比仿真分析，实现了车体的减重目标，获得较优的车体设计方案。

车体最终方案在组合工况10下的仿真结果应力云图如图2所示，车体高应力区大部分出现在底架部分，应力水平高于100 MPa的区域主要集中在牵引梁及其下盖板局部、枕梁与中梁连接区域以及部分横梁靠近中梁的连接区域。

与车体材料345
MPa的许用应力相比，该减重后的车体大部分区域仍有较大的强度余量。

图2 纵向车钩800 kN压缩载荷与垂载组合应力云图
3.2 整备车体模态分析
车体进行模态分析时采用无约束的边界条件，同时考虑了车下及车上吊装设备对车体固有频率和模态振型的影响。

其中，车下牵引变流器单元、制动控制单元等吊挂设备以集中质量的形式施加在各自的质心位置，与车体采用刚性连接方式;车上座
椅及其他设备质量均匀分布在车体底架横梁上。

仿真结果表明，车体一阶垂向弯曲频率为16.196 Hz，振型如图3所示，满足在整备状态下车体一阶垂向自振频率
高于10 Hz的设计要求。

图3 车体一阶垂向弯曲振型
4 样车车体试验
4.1 车体静强度试验
车体静强度试验同样参考标准EN 12663－1:2010《铁道应用—轨道车身的结构
要求》执行，载荷工况与仿真计算保持一致，其应力测点的布置主要依据仿真计算结果中的高应力区、车体结构形状及断面的突变部分以及焊缝止端等易产生应力集中的部位进行布片。

试验结果表明，车体强度满足标准的要求，且试验结果与仿真结果具有较好的一致性。

4.2 整备车体模态试验
整备车体模态试验依据TB/T 3115－2005《机车车辆动力学性能台架试验方法》，在头车车体上选取7个截面反映车体整体的振动形态。

每个截面上安装1个加速
度传感器，测试每个测试点的垂向和横向振动加速度。

模态试验的激励点及测点分布如图4所示。

整备车体模态试验结果表明，车体的一阶垂向弯曲频率为13.87 Hz，满足在整备
状态下车体一阶垂向自振频率高于10 Hz的设计要求，振型如图5所示。

图4 模态试验测点及激振器布置图
图5 整备车体一阶垂向弯曲振型图
4.3 动车组平稳性试验
动车组编组后，为进一步验证整车运行平稳性，开展了线路动态平稳性测试。

按照GB 5599－85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》标准要求，在头车车
体Ⅰ、Ⅱ位端地板上选取2个测点如图6所示，测定车体的垂向和横向加速度。

根据加速度测试结果，按公式(1)计算车辆运行平稳性指标。

图6 车体地板加速度测点布置图
式中:Wi—平稳性指标;Ai—振动加速度(g);fi—振动频率(Hz);F(fi)—频率修正系数。

试验结果表明，头车横向平稳性指标为1.75，垂向平稳性指标为1.615。

依据铁
道客车车辆运行平稳性评定标准GB 5599－85，动车组运行平稳性指标属于优级。

5 结语
以出口动车组头车车体为对象，按照结构设计、仿真分析、结构优化及试验验证的一体化设计思路，实现了车体的安全可靠性设计目标，满足了用户的需求。

这种新产品研发的模式具有很好的可执行性，值得在同行业内加以推广。

同时，在车体研制过程中，积累了一定的仿真及试验数据，对今后类似米轨列车车体的研制具有重要的参考价值。