某B型不锈钢地铁车体刚度、静强度及模态分析

某B型不锈钢地铁车体刚度、静强度及模态分析
发布时间：2022-09-01T06:27:03.940Z 来源：《科学与技术》2022年8期（下）作者：史鸿枫初彦彬杜晓杰葛永才[导读] 为保证车辆行驶的安全性，对某B型不锈钢地铁车辆车体进行刚度、静强度及模态分析。

史鸿枫初彦彬杜晓杰葛永才
中车大连机车车辆有限公司辽宁大连 116022
摘要：为保证车辆行驶的安全性，对某B型不锈钢地铁车辆车体进行刚度、静强度及模态分析。

首先建立车体三维模型并进行网格划分，生成有限元模型。

根据EN126663《铁路应用：铁路车辆车体的结构要求》标准，确定计算工况，进一步地，基于Ansys软件计算得到车辆刚度和静强度的计算结果及车体在整备状态下的固有频率，结果表明该B型不锈钢地铁车辆车体的刚度、静强度及模态均满足设计要求。

关键字：不锈钢地铁；静强度分析；模态分析
1.前言
随着城市化率的不断提高，城市轨道交通的乘客数量与日俱增，因此车辆的行驶安全性成为最重要的研究课题。

B型不锈钢地铁车辆凭借优良的耐腐蚀性能与较低的维护运行成本，在天津地铁、沈阳地铁2号线等多个线路中得以应用。

为对B型不锈钢地铁车辆的安全性能进行研究，郭新等人进行了车体强度试验，结果表明车体的薄弱部位位于门角和窗角[1]。

程相文等人对车窗及门角等圆弧位置采用节点对应方式过渡，提高了网格质量与计算精确度[2]。

王玉峰等人将计算结果与实际测试结果进行对比，验证计算结果的有效性[3]。

为满足车体轻量化要求，对某B型不锈钢地铁车辆中间车车体进行了优化：将窗立柱结构的厚度减小0.20mm，整列车共减重151.72Kg。

本文根据EN 12663标准，对优化后的中间车车体刚度、静强度进行分析。

首先建立车体三维模型，并利用Hypermesh软件进行网格划分，之后基于Ansys软件的计算结果校核车体刚度与静强度。

为评估振型及自振频率，在车辆整备状态下，对整车进行模态分析。

2.车体三维建模及网格划分
车体为薄壁筒形整体承载结构，由顶棚、侧墙、端墙及底架四部分组成。

由于壳网格可承受平面内载荷及法向载荷，因此本文选用壳网格为主体对车辆进行网格划分。

梁单元结构建模快速，可在两节点间建立刚性的连接单元，因此采用梁单元对焊点结构进行模拟。

车体进行网格划分后的单元总数为1530325，结点总数为1223836，该车体结构的网格划分结果如图1所示。

图1 车体模型网格划分
3.工况设定
试验工况设定是根据欧洲标准EN 12663及GB/T7928《地铁通用技术条件》标准。

本文选取11种典型工况如表1所示：表1
序号工况序号工况
1刚度计算工况7拉伸载荷工况（超载）
2超载工况8失衡抬车工况
3最大运营载荷工况9整体抬车工况
4压缩载荷工况（整备）10三点支撑工况
5压缩载荷工况（超载）11冲击载荷工况
6拉伸载荷工况（整备）
4.1 刚度计算
根据GB/T7928要求，车体在施加正常载荷的情况下不能发生永久变形且在垂直载荷最大作用下，静挠度不超过车辆定距的千分之一。

本车辆定距为12600mm，即要求车体底架边梁的最大垂向位移不超过12.60mm。

经计算，在工况1下，车体底架边梁最大挠度为5.71mm，满足车体刚度要求。

4.2 静强度计算
工况2-3是在不同垂直载荷作用下的车体强度情况，其中工况3下的车辆垂向载荷值最大，因此此工况下的车体V onMises的应力值较大，其应力云图如图2所示，由图可知，应力最大点位于底架牵引梁处，应力值为345.07MPa，该处材料为Q450NQR1，其许用应力值为450MPa，满足设计要求。

图2最大运营载荷工况下车体应力云图工况4-7是计算车体在垂向及纵向载荷的共同作用下的强度。

在此类工况下，应力集中区域主要分布在底架牵引梁、底架波纹板、侧墙门角、端墙门角处。

以工况4为例，其局部结构应力云图如图3所示，应力最大点位于底架牵引梁下盖板处，应力值为417.08 MPa，该处材料为Q450NQR1，其许用应力为450 MPa，则最大V onMises应力值小于材料的许用应力。

图3压缩载荷工况（整备）下局部结构应力云图工况8-10为模拟车体抬车情况，由于此过程转向架始终与车体连接，则在垂向载荷中加入转向架的重量。

以工况8为例，其应力云图如图4所示，车体最大V onMises应力值出现在侧墙连接板处，数值为201.89 MPa，小于该处材料许用应力685 MPa。

图4失衡抬车工况下局部结构应力云图工况2-11的强度计算结果见表2，其中，车体其他结构的应力值均小于该处材料的许用应力，根据EN 12663标准，车体结构的最大V onMises应力值不得大于车体部件材料的需用应力值，因此该车体强度满足设计要求。

表2 最大应力发生的部位及大小
工况应力结果
（MPa）位置材料屈服强度
（MPa）
是否满足设
计要求
工况2：超载283.89门角SUS301L-DLT345满足
工况
214.27底架边梁Q450NQR1450满足
工况3：最大
运营载荷工况
264.68侧墙窗角SUS301L-DLT345满足
345.07底架牵引梁Q450NQR1450满足
40.12端墙门角SUS301L-DLT345满足
工况4：压缩
载荷工况（整
备）
356.49波纹板SUS301L-MT480满足
417.08底架牵引梁下盖
板
Q450NQR1450满足305.47门框SUS301L-DLT345满足
工况5：压缩载荷工况（超载）371.75底架牵引梁下盖
板
Q450NQR1450满足290.28侧墙门角SUS301L-DLT345满足299.72端墙门角SUS301L-DLT345满足
工况6：拉伸
载荷工况（整
备）
335.91波纹板SUS301L-MT480满足
306.43底架牵引梁下盖
板
Q450NQR1450满足267.78门框SUS301L-DLT345满足
工况7：拉伸
载荷工况（超
载）
315.23侧墙连接板SUS301L-HT685满足
309.77底架牵引梁下盖
板
Q450NQR1450满足
工况8：失衡
抬车工况
201.89侧墙连接板SUS301L-HT685满足
工况9：整体
抬车工况
149.75侧墙立柱SUS301L-HT685满足
工况10：三点
支撑工况
156.32牵引梁立板Q450NQR1450满足
工况11：冲击
载荷工况
148.94窗角蒙皮SUS301L-DLT345满足
4.3模态分析
考虑车辆行驶过程中的安全性、稳定性与舒适性，需对车体进行模态分析，确定车体的固有振型及频率。

选用Ansys软件中内置的Block Lanczos分析方法，计算得到车体结构的固有频率如表3所示。

可以看出车辆在整备状态下的一阶弯曲固有频率大于10Hz，符合设计要求。

表3 车体模态分析结果。