地铁车体改造结构强度及模态分析
某B型不锈钢地铁车体刚度、静强度及模态分析
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。
地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析
学术探讨
地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析
周 伟
(中南大学 长沙 410075)
摘 要 简要介绍有限元强度计算和模态分析的相关 理论 ,应用有限元分析软件 ANSYS, 建立地铁动车不锈 钢车体结构的有限元分析模型 ,确定有限元模型的计算 载荷和评定标准 ,计算车体在给定工况下的静强度 , 以 及整备状态下的固有频率和振型 。结果表明 ,车体静强 度及刚度在各运用工况下都能满足相关标准要求 。 关键词 不锈钢车体 有限元 强度 模态
第三工况下车体最大应力为168462mpa发生在侧墙门立柱与底架边梁相交处顶结构最大应力点出现在车顶波纹板与平顶交界处底架波纹板最大应力点出现在牵引梁与波纹地板相交1各工况下不同结构处的应力水平mpa工况车顶底架波纹板耐候钢结构第一工况1841196843第二工况247169180124第三工况13316812290许用应力2822822821842第二工况下车体和耐候钢结构的应力分布48地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析urbanrapidrailtransit车体侧墙结构的加强横梁和压筋结构改善了侧墙蒙皮的纵向刚度和垂向刚度实现了更有效的承载和传载
4.3 变形和刚度分析
车体在垂向总 载作 用下 , 底架 下边 梁中 部垂 向挠
度 fc =5.873 mm, 两转向架中心距为 L2 =12 600 mm, fc <12.6 mm, 满足在最大垂向载荷作用下车体静挠度不
图 3 车体振型图
超过两转向架支撑点之间距离 1‰的要求 。
好地反映不锈钢 车体 的结 构特 点 , 是 车体 结构 强度分
表 1 各工况下不同结构处的应力水平 MPa
工况 第一工况 第二工况 第三工况 许用应力
全自动驾驶地铁不锈钢车体静强度和模态分析
全自动驾驶地铁不锈钢车体静强度和模态分析许娇;田爱琴;张文彬;张寅河;王瑜;王小杰【摘要】Based on structural features of the stainless car body of the automatic driving subway,the geometric model of this car body is simplified,and then the corresponding finite element model is established.Based on calculation standard of the static strength of the car body,10 kinds of computational cases are determined and computed.Meanwhile,the stiffness of car body structure under maximum vertical load,the modal of the steel structure of car body and the modal of the structure of car body in working order are also computed.The computational results indicate that the stiffness,static strength and modal of the stainless car body of automatic driving subway satisfy the design requirements of the car body structure.%根据全自动驾驶地铁不锈钢车体结构特点,简化该车体几何模型,建立相应的有限元模型.基于车体静强度计算标准,确定10种车体结构静强度的计算工况.在这些计算工况作用下,计算车体结构的静强度.计算在最大垂直载荷作用下车体结构刚度,以及车体钢结构模态与整备状态下车体结构模态.计算结果表明全自动驾驶车辆不锈钢车车体结构的刚度、静强度和模态均满足车体结构设计要求.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2017(038)002【总页数】3页(P34-36)【关键词】不锈钢车体;有限元;静强度;模态【作者】许娇;田爱琴;张文彬;张寅河;王瑜;王小杰【作者单位】中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;北京市轨道交通建设管理有限公司,北京100068;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111【正文语种】中文【中图分类】A全自动驾驶车辆车体材料主要采用高强度轻型不锈钢.不锈钢车体结构容易实现轻量化设计，同时具有耐腐蚀、免油漆、维护成本低、防火性能好等优点[1].然而，当焊接不锈钢材料时，不锈钢结构易发生焊接变形.因此，为了避免大的焊接变形，不锈钢车体结构通常采用电阻点焊方法实现不同部件的连接，尤其是车体侧墙结构. 为了保证地铁车体结构的刚度和静强度满足设计要求，在地铁车体设计阶段通常采用有限元分析方法校核车体结构的刚度和静强度.通过有限元方法的数值结果能够发现地铁车辆结构设计的不足，进而能够及时修改原始设计方案，最终提高产品研发速度和质量，以及节约大量设计成本.李培等人[2]采用三维梁单元模拟点焊.他们计算在各种载荷工况作用下不锈钢地铁刚度和静强度.杜健等人[3]通过优化侧墙点焊的数量和位置提高焊接效率和改善侧墙疲劳性能.谢素明等[4]通过子结构技术和变密度法优化车体局部焊点布局，进而改善不锈钢车体结构稳定性.刘婷婷等[5]通过不锈钢车体结构稳定性分析发现原始不锈钢车体设计方案的不足.他们提出车体结构的改进方案，从而使车体结构稳定性满足技术标准的要求.许晶晶[6]调查在空车状态和整备状态下不锈钢车体结构的自振频率和振型.王小杰等[1]分析B型不锈钢地铁结构的静强度、稳定性以及点焊与焊缝的疲劳性能.刘锡顺等[7]根据不锈钢车体结构的有限元分析结果改进车体结构设计.根据《BS EN 12663：2010 Railway applications -Structural requirements of railway vehicle bodies》确定10种车体静强度的计算工况.利用有限元方法求解在这些计算工况作用下不锈钢车体结构的vonMises应力.为了校核不锈钢车体结构刚度，本文计算在最大垂直载荷作用下车体结构位移.在没有考虑车体结构位移约束情况下，计算车体钢结构模态和整备状态下车体结构模态.全自动驾驶地铁的中间车车体结构采用薄壁筒型整体承载结构，它主要包括底架、侧墙、车顶和端墙等.底架采用无中梁结构，它由牵引梁、枕梁、缓冲梁、边梁、波纹地板和横梁等组成.侧墙由上边梁、下边梁、侧墙板、侧墙立柱和内层筋板等组成.车顶由波纹顶板、弯梁和空调平台等组成.端墙由门立柱、门横梁、端墙板和端角立柱等组成.该地铁车体的长度、最大高度和最大宽度分别为19 000、3 800和2 800 mm.底架端部结构采用Q345C耐候钢，而其他车体结构采用SUS301L-DLT/ST/MT/HT高强度轻型不锈钢.根据全自动驾驶地铁不锈钢车体结构特点，采用壳单元离散车体主结构，其中车体结构的重要部位主要采用任意四边形壳单元.由于某些车体结构中通过点焊实现不同结构之间的连接，采用点焊单元模拟焊点.通过刚性杆单元使纵向载荷、空调载荷和车下设备吊挂载荷作用在车体结构相应位置上.整车有限元模型包括175.8万节点、172.1万壳单元和1.9万点焊单元.依据《BS EN 12663：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》，确定车体静强度计算工况.车体静强度计算工况主要包括10个计算工况：①计算工况1：空载工况；②计算工况2：定员工况；③计算工况3：超员工况；④计算工况4：最大运转载荷工况；⑤计算工况5：最大运转载荷与800 kN纵向压缩载荷相结合的复合工况；⑥计算工况6：最大运转载荷与640 kN纵向拉伸相结合的复合工况；⑦计算工况7：一端抬车工况；⑧计算工况8：两端抬车工况；⑨计算工况9：三点支撑工况；⑩计算工况10：冲击载荷工况.本文同时计算车体钢结构模态和整备状态下车体结构模态.3.1 刚度计算结果在计算工况4(最大运转载荷工况)作用下，车体底架侧梁中部处最大垂向挠度为7.8 mm.该垂向挠度值小于两转向架支撑点之间距离的1‰(12.6 mm).因此，该车体的刚度满足《GB/T7928-2003地铁车辆通用技术条件》要求.3.2 静强度计算结果计算工况1-4主要调查在垂直载荷作用下车体结构静强度情况.在计算工况1-4作用下，车体结构的vonMises应力分布情况非常相似.由于计算工况4的垂向载荷比计算工况1-3的垂向载荷都大，所以在计算工况4作用下车体各个部件的vonMises应力数值较大.在计算工况4作用下，由于侧墙中枕内第一个门发生较大菱形变形，所以侧墙的最大vonMises应力发生在侧墙中枕内第一个门的门上角，如图1所示.门上角的vonMises应力值为323 MPa，该值小于门上角材料的许用应力(SUS301L-MT， 419 MPa).计算工况5和6主要调查在垂直载荷和纵向载荷共同作用下车体静强度情况.在计算工况5作用下，车体底架中牵引梁的最大vonMises应力发生牵引梁下盖板，如图2所示.这是因为牵引梁下盖板中圆孔产生应力集中.下盖板的vonMises应力值为258 MPa，该值小于下盖板材料的许用应力(Q345C，300 MPa).在计算工况6作用下，车体底架中牵引梁的最大vonMises应力同样发生牵引梁下盖板的圆孔处.下盖板的vonMises应力值为204MPa，该值小于下盖板材料的许用应力.在计算工况7-9中需要抬起车体结构，并且转向架与车体保持连接，因而在垂向载荷中考虑转向架重量对车体结构的作用.在车体处于抬起状态时，车体重量主要由抬车座承担，尤其是两端抬车工况和三点支撑工况.因而，车体底架的最大vonMises应力发生在抬车座区域.以计算工况8为例，图3显示抬车座区域底架局部结构的vonMises应力云图.边梁的vonMises应力值为260MPa，该值小于边梁材料的许用应力(SUS301L-HT，599 MPa).计算工况10主要调查冲击载荷对与车下设备连接的底架结构静强度的影响.在计算工况10作用下底架横梁的最大vonMises应力发生在与滤波电抗器相连接位置，如图4所示.底架横梁的vonMises应力值为246 MPa，该值小于底架横梁材料的许用应力(SUS301L-HT，599 MPa).虽然本文仅给出在各个计算工况作用下车体部分结构的vonMises应力云图，但是车体其他结构的vonMises应力值均小于车体材料的许用应力.因此，该车体结构静强度满足《BS EN 12663：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》的要求.3.3 模态计算结果模态分析中没有考虑车体结构位移约束.表1列出车体结构主要的固有频率. 整备状态下车体结构的整车一阶弯曲固有频率大于10 Hz，因此该车体结构的固有频率符合设计规范要求.利用有限元分析方法求解在各种计算工况作用下全自动驾驶地铁不锈钢车体结构的刚度、静强度和模态，得出如下结论：(1)在最大垂直载荷作用下，车体底架侧梁中部处最大垂向挠度小于两转向架支撑点之间距离的1%.该不锈钢车体刚度满足《GB/T7928-2003地铁车辆通用技术条件》的要求；(2)在静强度载荷作用下，不锈钢车体结构的各个部件vonMises应力均小于相应的材料许用应力.该不锈钢车体结构静强度满足《BS EN 12663：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》的要求；(3)整备状态下不锈钢车体结构的整车一阶弯曲固有频率大于10 Hz，该不锈钢车体结构的固有频率符合设计规范的要求.因此，全自动驾驶地铁中间车车体结构的刚度、静强度和模态均满足相关要求.【相关文献】[1]王小杰, 李辉光, 梁炬星. B型不锈钢地铁车体结构设计及强度分析[J]. 科技资讯, 2014, 2014(9): 76-79.[2]李培, 孙丽萍. 地铁不锈钢车体强度分析及试验验证[J]. 内燃机车, 2011(4): 17-20.[3]杜健, 丁叁叁. 地铁不锈钢车体侧墙点焊结构优化[J]. 机车车辆工艺, 2010(3): 4-6.[4]谢素明, 穆伟, 高阳. 不锈钢点焊车体结构稳定性分析及局部焊点布局优化[J]. 大连交通大学学报, 2013, 34(4): 12-16.[5]刘婷婷, 刘海涛, 陈秉智. 不锈钢点焊地铁车车体结构稳定性分析[J]. 大连交通大学学报, 2013, 34(1): 6-9.[6]许晶晶. 不锈钢点焊结构车体模态分析[J]. 现代机械, 2011(4): 29-30,56.[7]刘锡顺, 王大奎, 金晓琼. 地铁车辆MP车车体刚度及静强度分析[J]. 大连交通大学学报, 2013, 34(2): 10-14.。
某地铁车辆司机室车门的优化与强度分析
某地铁车辆司机室车门的优化与强度分析摘要：基于某城市轨道Tc车的车体结构，采用有限元分析方法，通过HyperMesh 软件建立车体有限元模型。
在计算阶段，按照EN12663-2010标准设置城轨车辆的载荷工况等参数，利用ANSYS软件对车体结构强度进行计算并校核。
经分析，优化之后的车体性能均满足要求，同时完成了车体轻量化，最终实现了新型城市轨道Tc车的车体结构优化设计。
关键词：城轨车辆；有限元分析；结构优化；强度计算1.引言我国城市轨道交通行业发展潜力巨大，如今我国正在大力推进城市轨道交通的研发、生产、运营、基建等多方面的发展方向，市场需求度大幅度提高[1]。
城市轨道交通更为民生所关注。
在城市轨道车辆的设计中，对车体结构的强度分析以及优化设计不仅关系到运行过程中的安全性和舒适性，还影响着铁路运营的经济效益[2][3]。
本文将优化设计理论贯穿全文，以某型城市轨道Tc车为研究对象进行司机室车门优化设计，寻找车体轻量化的最佳设计方法，为生产实际提供一定意义上的指导。
2.结构参数与模型车体结构材料与参数见表2.1，表2.2。
2.1车体结构材料表2.1车体结构材料2.2车体技术参数表2.2车体技术参数2.3仿真模型介绍在增大车门尺寸，减轻车体重量的同时，也要保证车体的静强度与疲劳强度符合要求。
为了满足结构强度现对车体提出3点结构改进1）增长横板长度；2）增加楔块厚度；3)提升横梁高度。
以上改进的目的是使横板1的力传递到横梁3上，避免应力集中。
增大厚度可以减小司机室门角处的应力。
3计算标准及对比分析3.1计算标准BS EN 12663-1:2010 Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodiesBS 7608:2014 Fatigue design and assessment of steel structures使用累计损伤方法进行疲劳寿命的评估，对于某个确定的焊缝及母材连接部位，取相应S-N曲线上1E7周期处的疲劳容许应力范围值如表3-1所示，根据公式3.1计算其累计损伤并叠加，小于1即满足疲劳强度要求。
地铁B型车车体静强度及模态计算
万方数据 万方数据第２期羊玢。
等：地铁Ｂ型车车体静强度及模态计算３梁和驾驶室结构是钢制的。
Ｂ型车的拖车车体结构、钢端梁和驾驶室端都用壳单元Ｓｈｅｌｌ代表。
引入底架设备荷载时其密度施加在壳单元上。
由一个车体模型、一个驾驶室模型、两个车体枕梁模型和一个钢端梁模型组成，建立的车体有限元模型包括１２４５３２个壳单元、３８１个梁单元、６５７个质量单元，共计１０２１７５个节点凹］（图６，７）。
图６有限元离散模型Ｆｉｇ．６ＦｉｎｉｔｅｅＩｅｍｅｎｔｍｅｓｈｍｏｄｅｌ图７有限元局部模型Ｆｉｇ．７Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｌｏｃａｌｍｏｄｅｌ２车体结构有限元分析２．Ｉ整备状态载荷工况［６］如图８所示，在两枕梁之间的车体地板处测得车体的最大垂向挠度为一８．１５ｍｍ。
本计算所有应力结果采用当量应力（ＶｏｎＭｉｓｅｓ），此应力不得超过许用应力。
当量应力的计算公式为吒一￣／ｏ．５［（仃ｌ一吒）２＋（盯２～吼）２＋（吼一盯１）２］式中：吼为当量应力／ＭＰａ；盯：为主应力／ＭＰａ。
整个车体的ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力分布见图９，整车（包括所有铝制和钢制部件）的最大等效应力为５３．５６ＭＰａ，小于铝制部件和钢制部件的许用应力（为屈服应力的８０％）。
２．２垂直过载载荷工况垂直过载载荷工况的计算目的是确定结构的总图８车体的变形Ｆｉｇ．８Ｂｏｄｙｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ图９整备状态最大等效应力Ｈｇ．９Ａｌｌ—ＳｅｔｕｐｍａｘｉｍａｌＶｏｎＭｉｓｅｓ。
ｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓ体刚度以及在垂直过载下的行为。
在两枕梁间车体地板处测得车体的最大垂向挠度为一１９．５ｍｍ。
车体的ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力分布见图１０。
在第２根侧墙大立柱与窗下板的连接处测得整车的最大ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力为１６０．０３ＭＰａ。
图１０垂直过载最大等效应力Ｆｉｇ．１０ＵｐｒｉｇｈｔｌｏａｄｍａｘｉｍａｌＶｏｎＭｉｓｅｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓ如表１所示，所有钢制和铝制部件的最大ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力均小于其许用应力（屈服应力的８０％），除Ａ位（窗下板与中间柱的第１上线处）的盲铆件的剪切力略大于许用剪切力外，所有焊缝和盲铆件是安全的。
城市地铁车车体强度有限元分析及模态分析
城市地铁车车体强度有限元分析及模态分析随着我国城市化的发展，城市轨道交通的地位变得越来越重，具有高效、快捷、舒适、客运量大等优点的地铁已经成为城市轨道交通中最常见的一种。
然而，任何事物都是一把双刃剑，地铁为人们提供了方便，但一旦发生安全事故，其后果是无法想象的。
历史上有很多次地铁安全事故都源于车体强度问题和振动问题。
因而，对新设计的车体结构进行强度校核和模态分析具有显著的社会意义和经济意义。
地铁是城市轨道交通的一种，一般由车体、转向架、制动装置、风源系统、电气传动控制、辅助电源、通风、采暖与空调、内部装修及装备、车辆连接装置、受流装置、照明、自动监控系统等组成。
地铁车型往往被分为A、B、C三种型号，三种车型的主要区分是车体宽度，A型地铁列车：长22.8米，宽3米；B型地铁列车：长19米，宽2.8米；C型地铁列车：长19米，宽2.6米。
一般A型、B型车最常见，C型车一般比较少见，因其运输能力有限，在交通比较拥挤的城市无法容纳高峰客流。
本文的目的是在现有几何模型的基础上建立该地铁车车体的有限元模型并对车体进行强度分析和模态分析，了解在工况下车体的变形及应力情况，为检验设计是否符合标准提供依据。
通过模态分析可以了解车体部件的固有频率以确定出车体振动频率的危险频率段，从而可以确定车体在什么样的载荷下工作不会发生共振。
标签：地铁；车体强度；有限元分析1 引言本课题拟根据某城市地铁车车体的实际几何结构，在HyperMesh软件环境下建立与几何结构相符的中面模型，并在中面模型上进行网格划分，建立完整的有限元模型，然后根据相应的技术规范中的要求，在ANSYS软件中进行强度分析和模态分析计算。
结果显示，车体在相应静强度工况下应力分布较合理，最大应力不超过材料屈服极限，满足设计要求；模态分析得到车体一阶垂向振动频率为13.5575Hz，一阶扭振频率为18.1975Hz。
所得计算结果可以为工程设计人员提供理论指导。
2 计算模型本课题研究的某城市地铁车体是钢铝混合结构：车顶、侧墙、底架、端墙采用以型材为主要结构形式的铝合金材料，牵引梁、缓冲梁、枕梁采用高强度钢结构，钢结构与铝合金结构间通过铆钉相连。
C80B型车体结构的强度及模态分析
C80B型车体结构的强度及模态分析赵戈;钟宇光;张玄;张磊【摘要】以C80B型运煤专用敞车车体为研究对象，应用Pro/E软件建立三维几何模型。
在有限元的理论基础上，论述了车体有限元模型的单元选取、网格划分及边界处理，然后在ANSYS软件中对车体进行静强度分析和模态分析。
结果表明，该车型车体在各种工况载荷作用下，满足《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》要求，同时找出了车体的危险部位，为进一步改进敞车设计提供参考。
%Taking the wagon body of C80B as the object of study, a 3-D geometrical model of the wagon body is set up by software PRO/E. This paper discusses the selection, meshing and boundary processing of the body’s finite element model based on the Finite Element Theory. The static strength analysis and modal analysis of the body are conducted with the software ANSYS. The results showed that the vehicle body meets the requirements of the strength design of railway vehicles and test code for identification. At the same time, the dangerous parts of the car-body are found out, providing references for further improving wagon car design.【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】6页(P1-6)【关键词】敞车车体;静强度分析;模态分析【作者】赵戈;钟宇光;张玄;张磊【作者单位】哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】U272.2铁路是国家的重要基础设施，国民经济的大动脉，承担着繁重的客货运输任务，尤其在煤炭、原油、钢铁等关系国计民生的大宗物资运输方面的作用是无可替代的.我国铁路实施跨越式发展战略以来，特别是在经历了第5次大面积提速后，铁路货运能力有了较大提高.近年来，我国机车车辆工业企业研制了一批载重80 t级的运煤专用敞车，有效缓解了我国铁路紧张的运输局面.以齐齐哈尔轨道交通装备有限公司主持研制的C80B型运煤专用敞车的车体为研究对象，根据相关数据，在Hyper Mesh中建立详细的车体有限元模型.应用有限元分析软件 ANSYS中对车体结构进行静强度分析，以验证车体的强度和刚度，同时依据车体有限元模型的模态分析，初步了解车体的动力学特性，对以后相关车体结构的改进来说，具有一定的借鉴意义.1 车体结构和性能参数文中研究的C80B型敞车车体结构为有中梁的平地板全钢焊接结构，主要由底架、前端墙、侧墙、撑杆、上心盘和下侧门等组成.该车与货物接触的侧墙及前端墙的主要型材、板材及地板采用屈服强度为345 MPa的TCS345经济型不锈钢（底板厚度为5 mm板材，侧墙和前端墙为4 mm板材）；底架的框架（地板除外）主要型材、板材采用屈服强度为450 MPa的Q450NQR1高强度耐火钢；上心盘和冲击座由C级铸钢整体铸造.底架由中梁、枕梁、大横梁、小横梁、纵向梁、地板、旁承和上心盘等组成；侧墙由侧柱、门柱、上侧梁、上门框和侧板等组成；前端墙由端板、横带、角柱、上端梁及加强柱等组成；该车内设有 3组水平撑杆，其中撑杆座与撑杆采用铰接结构连接；为了使车体内的颗粒货物方便清扫，在每个侧墙中下部设置一个下侧门；在底架枕梁上设置了加长的顶车垫板.其主要性能参数[1]如表1所示.表1 主要性能参数主要性能参数载重/t 80自重/t 20轴重/t 25正常运营速度/（km·h-1） 100车辆长度/mm 12000车辆定距/mm 8200车体内长/mm 10550车体内宽/mm 2976车体内高/mm 2708下侧门高×宽/mm×mm950×7482 车体有限元建模由于车体结构及受力是对称的，故可建立车体的二分之一模型，对车体进行分析研究.首先在三维几何软件Pro/E绘制C80B车体的半车几何模型（见图1），然后导入Hyper Mesh中进行网格划分，最后在有限元软件ANSYS12.0中进行分析计算.图1 半车几何模型1.侧墙枕柱；2.前端墙；3.前端墙横带；4.中梁；5枕.梁；6.侧墙侧柱；7.侧墙2.1 单元的选取及网格划分C80B运煤敞车为全钢焊接结构，其车体结构主要由不同厚度的钢板焊接组成，这些板结构既承受板平面内载荷引起的拉压变形又承受垂直于板平面载荷带来的扭转变形，对比有限元的相关理论[2]，在线性静强度分析中，对车体离散时采用板壳单元 Shell63.Shell63单元为空间4节点变形结构，每个节点有6个自由度，分别沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和绕节点坐标系X、Y、Z轴的转动.为了准确模拟车体的受力特征，在车体与转向架的接触位置的上心盘和旁承建立Beam4梁单元.根据组成车体部件的特征（长度远大于厚度），本文在有限元前处理软件Hypermesh10.0划分网格，先抽取其中性面，再进行几何清理和修复，提高网格划分的质量[3].通常在对结构建模时，对焊缝直接以板壳单元简化焊缝甚至于不对其进行详细的建模处理，这对于结果准确性有很大的影响.文中分析的车体结构为全钢焊接结构，对焊缝的处理更加重要，最简单也最实用的方法就是将焊缝简化为2块板的直接连接，重叠部分在较大的板面上赋予两块板的厚度来建模，也就是应用粘贴和搭接处理车体板结构之间的连接[4].在 T型的焊接结构的建模过程中，采用的是共节点的方式来模拟焊接部分[5]，如图2所示.图2 T型焊接模型的建模二分之一车体有限元模型共有单元75649个，节点72917个.模型经检查没有出现畸变单元，有限元模型如图3所示.图3 半车有限元模型2.2 边界条件处理在有限元分析中，经常使用这种对称或反对称条件来简化模型[2].文中在分析车体模型时，取二分之一车体有限元模型计算，以车体的横向、垂向、纵向分别为坐标系的Z轴、Y轴、X轴，车体的横向对称面为XY面.对于结构分析而言，在对称面上施加对称约束是指平面外移动和平面内旋转被设置为零，即U z = 0,θ x = 0,θ y= 0；在对称面上施加反对称约束是指平面内移动和平面外旋转被设置为零，即U z = 0,θ x = 0,θ y= 0.同时在车体和转向架的连接构件上心盘施加弹性全约束[6].2.3 车体材料特性无论是对车体进行静强度计算还是模态分析，其车体材料特性必不可少.车体作为全钢焊接结构，材料可分为母材和焊材，即没有焊接的区域称为母材，构件焊接部分材料已不同于其中任何一种组成材料.在文中按照焊接结构的建模方式的不同，其材料特性可按照屈服极限较小的母材材料特性来计算.母材特性如表2所示.表2 母材材料特性材料屈服极限/MPa密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa 泊松比Q450NQR1 450 7850 2.05e5 0.3 TSC345 345 7850 2.05e5 0.293 车体有限元计算3.1 基本载荷及组合工况根据TB/T1335-1996规范说明，结合C80B提供的有关数据经过计算，作用在车体上的基本载荷及受力的具体部位如表3.表3 基本载荷及作用位置载荷作用位置大小垂向静载荷/kN 底板 901.6垂向总载荷/kN 底板 1108.6侧向力/kN 底板 98.05扭转载荷/kN·m 旁承 40散货侧压力（第一工况）/Pa 侧墙 4426.3散货侧压力（第二工况）/Pa 侧墙 13132.6散装货物侧压力/Pa 前端墙 78325.7纵向拉伸力/kN 前从板 2250纵向压缩力a/kN 后从板 2500纵向压缩力b/kN 后从板 2800考虑车体在实际中的运行情况和《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的要求，在有限元分析计算时要考虑组合工况如表4.表4 组合工况工况载荷系数工况1：垂向总载荷 1工况2：垂向总载荷+侧向力+扭转载荷+散货侧压力（第一工况）+纵向拉伸力 1工况 3：垂向总载荷+扭转载荷+侧向力+散货侧压力（第一工况）+纵向压缩力a 1工况4：垂向静载荷+散货侧压力（第二工况）+散装货物侧压力+纵向压缩力b 13.2 计算结果分析根据上述载荷工况的具体情况，以相对应的形式施加于相应的位置，应用ANSYS12.0软件对该敞车车体进行有限元静强度分析.计算结果如表5，各应力云图如图4～7所示.表5 4种工况下最大应力及位置工况最大应力发生位置最大应力/MPa许用应力/MPa 1 前端墙与中梁连接附近 227.143 3802 前端墙与中梁连接附近 263.8563803 前端墙与中梁连接附近 284.090 3804 侧墙枕柱与端墙横带连接处 292.657 380图4 工况1应力云图车体在工况1的条件下的应力云图表明作用在地板面上的载荷几乎全部传递到底架的各个梁构件上，前端墙和侧墙上靠近地板的金属板承受部分载荷.车体的最大应力为227 MPa，发生在前端墙与中梁的连接部分.图5 工况2应力云图在计算车体在工况2条件下的车体受力时，对其边界采用反对称约束，散货侧压力运用梯度加载的方式施加.计算结果表明，工况2载荷的影响范围涉及整个中梁及枕梁，其最大应力区域也分布在中梁上，其值为263 MPa.图6 工况3应力云图工况3与工况2的边界条件相同，只是把车钩拉伸力替换为车钩压缩力.此时，车体中梁及前端墙连接处应力较大，其次是中梁与上心盘连接部分.图7 工况4应力云图重载货车在运动状况发生变化时，例如启动、加速及刹车等，散体货物对车体前端墙的作用力会随之发生较大的变化，会严重损坏车体结构.对车体前端墙在最严厉的条件下进行受力分析（工况4），结果表明，整个前端墙受力都比较大，其最大应力区域在横带与侧柱连接处，最大值为292 MPa.通过上述结果分析可知，工况2、3和4的最大当量应力发生位置大都在连接处，其最大应力值为292.657 MPa，在许用应力范围之内.其余位置的应力都相对较小，符合我国车辆强度规范的要求[8].4 车体模态分析如今，铁路车辆正在向高速重载的方向发展，简单的静力学分析已经不能够满足结构安全性的要求，尤其在车辆高速运行时，轨道激励被放大，当激励频率与车体的固有频率接近时，可能引起车体结构的共振，车体结构会发生剧烈振动，带来车体的疲劳破坏或者大位移变形.通常的解决方法是加强破坏部分的强度，但这不能从根本上解决问题，时间一长还会发生断裂.从根本上解决问题就是要避免共振，即改变车体结构的固有频率或者改变激励源的固有频率.一般来说，激励的固有频率是不容易改变的，相对来说改变车体结构的固有频率是常用的做法.本节车体模态分析其中一个目的就是计算车体的固有频率，避开与激励产生共振，引起疲劳破坏. 模态分析是用来确定一个机械结构的固有频率和振型，其核心内容为求解机械结构振动的特征值问题.在有限元法理论中，对于一个多体系统，其振动的动力学矩阵方程 [7]：式中M、C、K、F分别代表质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、载荷向量相应向量；为机械结构的加速度、速度及位移向量.在有限元分析程序中，无阻尼的情况下，式（1）可简化为式中ω、ψ为特征值和特征向量.模态分析就是求解上述简化方程，也就可求解出结构的固有频率ω和结构振型ψ.在ANSYS12.0软件中，采用Block Lanczos模态提取法对车体模型进行模态分析.因为车辆产生振动时的能量大都在低频区域，也就是车体的典型振动对车体的破坏性最大.在文中对车体模态分析是采用零自由度约束[9]，即在车体的上心盘处的X、Y、Z方向不施加约束.前6阶的模态都会是零，表现为刚体的平动或转动，主要是观察后面大于零的模态，取8个阶次的固有频率及相应振型，如表6和图8所示. 表6 车体的各阶次频率和振型阶次频率/Hz 振型1 4.4240 一阶扭转2 10.652 一阶横向弯曲3 13.489 二阶横向弯曲4 17.524 三阶横向弯曲5 23.797 局部振动6 24.808 局部振动7 25.290 局部振动8 25.471 局部振动图8 车体部分模态振型在车体的模态分析中，由于采用的是零自由度约束，因此前6阶模态为车体刚性振动模态，即典型振动模态，其频率比较小，在文中不列出.第1阶模态到第4阶模态为车体的整体弹性振动和局部振动的结合，第5阶模态以后为车体侧墙的局部弹性振动，振幅变化主要集中在与撑杆相连接的侧墙上.整体来看，车体连续振型之间没有太大的突变，刚度分配比较合理.5 结束语对C80B型运煤敞车车体进行有限元建模并进行静强度分析和模态分析.在不同工况下，有限元静应力分析得出的车体的最大应力值，对比我国现行的《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》，车体符合刚度和强度要求.同时静强度分析结果也指出车体结构的薄弱部位，如车体端墙上的加强柱与中梁连接的位置等，这为将来的改进提供一定的参考.另外，通过对车体的模态分析，更进一步了解车体的动力学特性.分析结果可知，车体的模态集中在20～30 Hz，且后面的模态振型大都集中在侧墙和端墙，说明这是在车辆运行过程中要重点关注的部位.参考文献：[1]王胜坤.C80B(C80BH)型不锈钢运煤敞车的研制[J].铁道车辆, 2007, 45(10): 16-20.[2]王勖成.有限单元法[M].北京: 清华大学出版社, 2003:381-420 .[3]贺李平, 龙凯, 肖介平.ANSYS13.0与HyperMesh11.0联合仿真有限元分析[M].北京：机械工业出版社, 2012: 16-20 .[4]杨爱国, 张志强, 杨江天.基于有限元建模的敞车轻量化设计[J].中国铁道科学, 2007, 28(3): 79-83.[5]RICHMOND S.Finite element analysis of freight car structures for fatiguelife prediction[C]// Proceedings of JRC2006 Joint Rail Conference.Atlanta, USA, 2006: 4-6.[6]范国海, 张纯义, 关晓丽, 等.车辆结构建模中的几个难点及对策[J].大连铁道学院学报, 2000, 21(3): 7-12.[7]曹树谦.振动结构模态分析——理论、实验与应用[M].天津: 天津大学出版社, 2001: 23-78 .[8]TB/T1335-1996, 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].[9]郭志全, 徐燕申, 杨江天.基于 FEM 的新型运煤敞车的结构模态分析[J].机械强度, 2006, 28(6): 919-922.。
一种轨道工程车转向架构架强度及模态分析
铁道技术监督RAILWAY QUALITY CONTROL 第47卷第6期Vol.47 No.6研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS一种轨道工程车转向架构架强度及模态分析张莎（宝鸡中车时代工程机械有限公司，陕西 宝鸡721003 ）摘 要：构架强度对轨道工程车辆的安全性、牵引力及运行品质有重要影响。
采用ANSYS Work- bench 有限元仿真软件，在超常载荷、模拟运营与模拟特殊运营载荷工况下，对一种轨道工程车转向架构 架进行静强度、疲劳强度评估计算与模态分析。
计算结果表明，构架静强度、疲劳强度及模态满足TB/T 2368—2005《动力转向架构架强度试验方法》和TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规 范》要求。
关键词：轨道工程车；转向架构架；有限元仿真；静强度；疲劳强度；模态中图分类号：U273 ： U270.12 文献标识码：A 文章编号：1006-9178 ( 2019 ) 06-0064-05Abstract : The frame strength has an important influence on the safety , traction and operation quality of track engi neering vehicles. By using ANSYS Workbench finite element simulation software , based on service conditions in ・ eluding overload , operation simulation and special operation load simulation , the static strength , fatigue strength evaluation & calculation and modal analysis are carried out for the bogie frame a type of track engineering vehicle. Ac cording to the calculation results , the static strength , fatigue strength and modality of the frame can meet TB/T 2368— 2005 Motive Power Units-Bogies and Running Gear-Bogie Frame Structure Strength Tests and TB/T 1335— 1996 Specification of S trength Design and Test Evaluation of R ailivay Vehicles.Keywords : Track Engineering Vehicle ; Bogie Frame; Finite Element Simulation ; Static Strength ; Fatigue Strength ; Modality0引言伴随国内铁路网建设迅速推进，铁路发展对 技术装备的需求也不断提高，其中质量稳定、安 全可靠是铁路技术装备的必须要求。
B型不锈钢地铁车体结构设计及强度分析
不锈钢地铁车辆具有耐腐蚀、免油漆、维护成本低、防火性能好等优点,在国内外城市轨道交通中得到了大量应用,现在也受到越来越多的地铁业主的青睐[1]。
但是,由于不锈钢车体采用板梁结构,部件多,焊接复杂,同时不锈钢材料本身热传导率低、热膨胀系数高,导致焊接性能较差。
本文对一种B型不锈钢车体的结构设计及强度进行分析介绍。
1 车体结构设计及主要技术参数1.1车体特点及主要技术参数所设计的车体为B型不锈钢车体[2],采用板梁组焊结构,由底架、侧墙、车顶、端墙四部分组成,车体的主要技术参数见表1,其断面形状为鼓形,侧墙上部内倾角5°,如图1所示。
1.2车体结构设计1.2.1底架结构底架结构主要由底架边梁、底架横梁、牵枕缓组成、波纹地板等部件组焊而成。
重要受力部件牵枕缓由牵引梁和枕梁及缓冲梁组焊为模块。
牵枕缓模块与辊弯的底架边梁对接组焊形成整体承载框架,底架横梁与边梁采用对接组焊。
1.2.2侧墙结构侧墙由侧墙板模块、侧门立柱、侧墙立柱、侧墙纵梁等焊接组成。
侧墙由每个侧墙小模块组成,便于工艺调节。
每个侧墙板模块由二块侧墙板利用激光焊接组焊后成型,激光焊接变形量小,利于保证侧墙的平面度。
侧墙板模块通过点焊与侧墙纵梁及立柱连接。
1.2.3车顶结构车顶采用连续封闭的全焊接结构,包括圆顶模块、平顶模块和车顶边梁。
圆顶模块由波纹板和弯梁组焊而成,平顶模块由钢板与横梁组焊而成,在安装空调机组部位保证其承载强度。
平顶两侧边梁设置排水槽,水通过排水槽进入雨檐,通过雨檐的端部的排出。
车顶总成时平顶、圆顶与车顶边梁整体组装后焊接密封。
B 型不锈钢地铁车体结构设计及强度分析王小杰 李辉光 梁炬星(南车南京浦镇车辆有限公司动车设计部 江苏南京 210031)摘 要:介绍了B型不锈钢地铁车体的结构特点和设计思路,并采用有限元软件建立结构计算模型,分析不同载荷工况条件下的屈曲、静强度及焊缝疲劳寿命,为车体结构设计提供依据。
计算结果表明,该车体采用的板梁结构合理,满足车体的强度和稳定性要求,同时车体焊点与焊缝均满足疲劳寿命要求。
地铁车体结构的刚度及静强度分析
地铁车体结构的刚度及静强度分析摘要：地铁车体结构的刚度及强度关系到车辆的安全性能，地铁在为人们提供舒适、快捷和便利的同时，应更要注重安全性能。
本文主要利用ANSYS软件对铝合金车体结构的刚度及静强度进行分析，结构证明其车体结构的强度及刚度均满足要求。
关建词：地铁；车体；强度分析；有限元前言随着我国经济的快速发展，各大中型城市轨道交通也进入快速发展阶段，为该城市经济发展注入动力。
地铁车辆车体结构在设计阶段都本着合理、安全可靠等原则进行，确保车辆投入使用后的安全可靠。
随着科技的不断进步，各类计算软件也为车体结构的合理性提供辅助作用，ANSYS软件对铝合金车体结构的刚度及静强度校核也是一种有效的手段。
一、地铁车体结构概述某地铁TC车车体为轻型铝合金全焊接的整体承载结构，由车顶、侧墙、底架、端墙和司机室等几大部件焊接组成。
车顶主体结构由7块（4种）型材组焊而成，车顶设置空调机组平台，机组平台也是由7块（4种）型材组焊而成。
侧墙主要结构由3种不同铝型材组焊而成；侧墙型材焊接采用插接及搭接接口；每个侧墙设4个门口，门口两侧为立柱，立柱由型材加工而成；在单扇侧墙上有窗口开口。
端墙为型材与加强梁组焊结构。
底架由铝地板、边梁、端梁、枕梁和缓冲梁组成。
铝地板由7块（3种）型材通过插接接口组焊而成，铝地板与底架边梁通过搭接接口组焊。
枕梁为焊接而成的箱型结构，枕梁下盖板形状及零部件的设置满足与转向架接口要求。
缓冲梁为焊接而成的箱型结构，上盖板为10mm铝板，下盖板为16mm的铝板，牵引梁为15mm的铝板。
车钩安装座为35mm的铝型材。
二、ANSYS软件有限元模型的建立与计算结果分析（1）有限元模型的建立本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS对该TC车铝合金车体进行刚度、静强度、疲劳强度和模态分析。
建立车体有限元模型时，凡是对该车整体刚度及局部强度有贡献的结构，都予以考虑。
为了计算的准确性，模型构成以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅。
地铁铝合金车体的结构设计和强度分析
地铁铝合金车体的结构设计和强度分析发布时间：2021-09-11T04:58:18.004Z 来源：《基层建设》2021年第17期作者：李思[导读] 摘要：随着我国经济的快速发展，我国目前正处在城市化的高速推进阶段，给现有的城市交通基础设施造成了巨大挑战，此外城市建设规模也日趋增大，在大环境的影响下，城市轨道交通建设成为我国的首选。
中车唐山机车车辆有限公司河北省唐山市 063011摘要：随着我国经济的快速发展，我国目前正处在城市化的高速推进阶段，给现有的城市交通基础设施造成了巨大挑战，此外城市建设规模也日趋增大，在大环境的影响下，城市轨道交通建设成为我国的首选。
地铁是城市轨道交通中非常重要的组成部分，地铁具有安全、准点、快捷、舒适、环保的特点，它庞大的运量具有地面任何交通工具都不可比拟的优越性。
随着地铁的广泛应用，对其结构及轻量化的要求也越来越高，因此对车体进行仿真分析以及优化设计十分必要。
鉴于此，文章重点就地铁铝合金车体的结构设计和强度分析进行研究分析，以供参考。
关键词：地铁车辆；铝合金车体；结构设计；强度分析引言铝合金材料以其重量轻、耐腐蚀性好和易于采用挤压方法成型等优点成为铁路机车车辆制造业中的理想材料。
为确保机车车辆在工作状态下安全可靠，铝合金车体结构同样要求具有足够的强度和刚度，并满足相关技术标准。
目前机车车辆车体结构的强度计算分析主要采用有限元法，在施工设计后进行有限元计算可以检验设计的合理性和结构是否达到设计要求，并对车体结构改进提供科学依据。
1铝合金地铁的优势以及发展概况以车体的材料为标准来进行分类，其主要分为碳钢车体、铝合金车体以及不锈钢车体三种。
铝合金车体和不锈钢车体属于轻量化车体，相对于这两种车体来说，碳钢车体在生产成本以及加工制造方面花销要明显地更小，然而随着社会发展，人们更加关注车体轻量化、节能减排和可持续发展思想等，地铁车辆采用应用碳钢车体的比例大幅度降低，已经不适合现在发展的步伐，逐渐的被社会所淘汰，现在越来越多的地铁车体都是铝合金车体和不锈钢车体。
地铁车体强度及模态分析
地铁车体强度及模态分析作者：赵文平刘东亮张冠兰来源：《中国科技博览》2013年第23期摘要：以地铁车体为研究对象，应用Hypermesh软件建立了车体有限元模型，依据标准规定利用ANSYS软件进行了静强度有限元计算和模态分析。
结果表明，该车体结构能够满足强度、刚度及模态的相关标准，为其进一步优化改进提供了参考依据。
关键词：车体；有限元分析；静强度；模态中图分类号：TP854.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-396-011 前言车体是车辆的主要承载部分，也是其他部件的安装基础，其结构设计是否合理直接影响车辆在工作状态下的安全可靠性以及乘坐环境的舒适性。
因此，车体结构设计时不仅要满足车辆总体布置的要求，而且车体钢结构要具有足够的强度和刚度，满足相关技术标准【1】。
校核车体强度主要采用试验方法，即在车体钢结构上贴应变片进行静力试验，此方法耗时、费力。
随着有限元仿真技术的成熟，在产品设计阶段可以依靠仿真分析指导设计，缩短设计周期，降低生产成本【2】。
车体有限元分析的一般过程是：建立有限元分析模型、求解和计算结果分析。
本文以地铁车体为研究对象，通过有限元软件对该车体进行了静强度计算及模态分析，以验证其结构是否满足设计要求，并为车体的进一步优化提供依据。
2车体有限元模型及载荷工况2.1建立车体有限元模型该地铁车体采用无中梁的薄壁筒形整体承载结构，由侧墙、端墙、车顶和底架组成。
建立有限元模型时，凡是对该车整体刚度及局部强度有贡献的结构都予以考虑。
利用Hypermesh软件，主要采用壳单元对车体结构进行离散，在某些约束及载荷位置采用刚性元及质量单元模拟。
模型如图1所示，共生成260491个节点，330575个单元。
图1 车体有限元模型2.2约束设置依据不同工况下车体的受力情况，在模型中施加相应的纵向、垂向、横向位移约束，以限制车体的刚性移动。
2.3确定载荷工况为了考察该地铁车体的强度和刚度，根据车辆在使用过程中的实际情况，依据EN12663-2010《铁路应用-铁路车辆车体结构要求》确定各计算载荷和工况，如表1所示。
某地铁车辆车体的试验模态分析
某地铁车辆车体的试验模态分析模态分析是对地铁车辆车体进行动态性能分析的一个重要的方法，是动力学分析的一个重要的方面。
据此，采用多点激振多点拾振的方法对某地铁车辆白车身进行了模态测试，并通过MAC矩阵对试验结果进行了验证，对地铁车辆车体、悬挂设备件及其转向架等相关设备的设计与选用提供了依据。
标签：试验模态分析；MIMO；模态置信准则0引言当高速动车组等轨道交通车辆运行时，由于运行轨道的状况以及运行过程中空气阻力等载荷的影响，会导致列车车体及相关部件的随机振动。
若外部载荷的激振频率与车体或部件的固有频率接近时，就有可能引起共振，这不仅会对车上乘客的乘坐体验产生影响，严重情况下还会对车体及车载设备产生破坏，诱发严重事故，影响轨道交通车辆的安全性能，因此对车辆动力学的设计是轨道交通设计与生产中的重要方面。
而在轨道交通车辆的动力学的设计中，模态分析是对机械结构进行分析的一个重要方面。
模态是机械结构在外部激励下对各个频率的动态响应，是结构本身所固有的振动属性。
1试验模态分析基础理论2试验模态方法试验模态分析是通过在实验室对被测样品进行激励，同时采集其响应信号，并对其进行FFT变换求得其频响函数（传递函数）或脉冲函数，通过拟合得到所测系统的模型；最后运用参数识别的方法，计算出结构系统的模态参数信息，从而建立机械结构动态模型，为机械结构进行动力学分析及机械设计与改进提供支撑于依据。
正则振型试验法（NMT）和频响函数法（FRF）是试验模态分析的两种不同试验方法：本文采用FRF频响函数法对地铁车体做模态试验分析。
该方法将振动激励和其响应的时域信号数据经快速傅里叶变换FFT转化为频域数据，对所建立的机械结构频响函数的数学模型进行曲线拟合，从频响函数求出所测系统模态参数，具有测试时间短且能够同时激励出全部模态的优点。
而由于地铁车辆车体具有体积和质量较为庞大且结构较为复杂等特点，选用多点激励多点采集（MIMO）的模态试验方案，重点关注车体在垂向激励下的一阶模态。
某型地铁车辆转向架构架强度及模态分析
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通过 对某 型地铁 转 向架 构 架结构 强度分 析 以及 模 态分 析 可 知 ， 架在 ４种 工 况 下最 大 应 力值 为 １ ９ ９ 构 ０． ＭＰ ， 于许 用 应力值 ， 足设 计 要 求 ； 架 主要 侧 梁 ａ低 满 构 以弯 曲摆 动为 主 ， 自振频率 较 高 ， 其 最低 固有 频率远 离 ６Ｈｚ １ ～ ＯＨＺ的激振频 率 ， 动态 特性较 为合理 。 其
１ ０ 转 向 架 固定 轴距 （ ４０ ０ ｍｍ） ２３０ ０
转 向架 中心 距 （ ｍ） ａ ｒ 单位 风 压力 （ ａ ＭＰ ）
１ ０ 紧 急制 动减 速 度 （ ｓ） １２ ２６０ ｍ／。 ． ５０ ４ 重力 加 速 度 （ ｓ） ｍ／０ ９ ８ ．１
极 限为 ５ ６ＭＰ ， ６ ａ许用应 力为 ３ ５ＭＰ 。 ４ ａ 边 界 条件 的正 确 与 否 对 有 限 元 计 算 结 果 影 响 重 大 。在 空气 弹簧 座处 施 加 弹 性边 界 元 约 束 ， 与 六 面 而
收 稿 日期 ；２ １— ３ １ ，修 回 日期 ：２ １． ５２ ０ ２０ — ３ ０２０—５
垂 向静 载荷 包 括 自重 、 载重 和整 车 重 量 ， Ｐ一 ３ ２ｋ ４ Ｎ。垂 向动载 荷 由垂 向静载 荷乘 以垂 向动 载
作 者 简 介 ；杜 子学 （ ９ ２） １６ 一 ，男 ，河 北 邯 郸 人 ， 教 授 ，博 士 ，研 究 方 向 为 现代 车 辆 设 计 方 法 与理 论 、载 运 工 具 运 行 品 质 、交 通 安 全 。
B型铝合金地铁车体模态分析及试验验证
825334,1。
图1TC车体有限元模型
车体所用材料主要为铝合金,计算时代入的力学性能为:弹性模E=70GPa,泊松比μ=0.33,密度ρ=2710kg/m3。
有限元计算结果
地铁车辆整车模态计算分为空车自由模态、整备自由模态和超员自由模态三种工况,由于试验工况是空车自由模态,为了对应比较
(上接第14页)资水平也高于当年本校毕业生的平均薪资水平。
对于学校而言,工作室的建立,丰富了学生的课余生活,提高了学生的综合竞争力,不仅有利于就业工作,对于日常的教学工作也有促进作用。
目前我校与多家中小规模企业达成合作协议,建立了多个工作室工作室为平台的校企合作模式进行推广和优化。
(a )一阶模态
(b )二阶模态
(c )三阶模态
图2空车车体前三阶模态振型
仿真结果与试验数据比较分析
4.1试验中传感器配置方案
(a )车体断面布置示意图
(b )车体加速度传感器布置示意图
图3车体断面和加速度传感器布置示意图
针对车体的特点,沿车体长度方向分为9个断面布置测点断面地板中部1个测点、左右上边梁各1个测点、左右下边梁各侧墙中部1个测点、车顶棚中部1个测点,共8个测点。
点测试横向和垂向两个方向加速度,加速度传感器采用ICP 式加速度车体断面布置示意图和加速度传感器布置图如图3试验数据[3]与仿真结果比较分析
相对误差均不超过。
. All Rights Reserved.。
铝合金地铁车体刚度和静强度仿真及有效性分析
铝合金地铁车体刚度和静强度仿真及有效性分析随着城市人口数量迅速增加，为缓解交通压力，人们对地铁车辆的依赖性日益明显。
如此广泛的应用使得铝合金车体性能的可靠性越来越受社会关注。
然而，重量轻、运量大是铝合金地铁车体的优势，也是产生车体强度问题、结构稳定性问题的主要因素。
本文以某铝合金地铁作车为研究对象，对车体进行刚度、静强度仿真分析，并根据计算结果对车体薄弱部位进行结构改進，使最终设计方案满足车体刚度、静强度要求。
标签：铝合金地铁车体；有限元法；刚度和静强度；结构改进1 引言随着轨道车辆研发技术水平的不断提高，车体轻量化和高速化的需求，在车体新材料和新工艺方面的研究也越来越多，铝合金材料以密度小、耐腐蚀、易于挤压成型和密封性好等优点，铝合金车体也被地铁车辆越来越广泛的应用[1]。
与此同时，车体的性能指标以及设计水平也逐渐成为人们关心的重点。
刚度与静强度是车体性能分析中最基本的内容。
国内外关于车体刚度和静强度的研究，主要有仿真分析法和试验分析法，两者结合紧密、相辅相成。
很数人利用有限元法，对地铁、动车组等车体进行刚度、静强度分析[2-3]。
2 车体有限元模型在创建有限元模型时，充分考虑到了整车设计质量的问题，将对车体的整体及局部的刚度、强度有影响的位置都考虑在内。
利用Hypermesh11.0软件，车体薄壁部件主要以任意四节点等参薄壳Shell181单元为主，用梁单元beam188模拟钢铝之间的铆接，设备质量采用质量单元mass21来模拟，并通过柔性元rbe3模拟与车体的连接关系，最终整车有限元模型离散后共有966869个壳单元（Shell181），1206个实体单元（Solid185），节点总数为858392。
3 车体刚度和静强度分析3.1 计算工况对车体进行有限元计算的8种工况为：垂向超员载荷工况（AW3刚度工况）、最大垂向超员荷工况（1.3×AW3）、纵向拉伸（960KN）+AW3、纵向压缩（1200KN）+AW3、二位端部压缩（150KN）+AW0（上边梁高度处）、二位端端部压缩（300KN）+AW0（窗台高度处）、救援工况（三点支撑）、架车工况（一端吊起）。
铝合金地铁车体静强度和模态分析
铝合金地铁车体静强度和模态分析以某城轨铝合金地铁为研究对象，根据铝合金地铁车体结构特点，简化该车体几何模型，建立相应的有限元模型。
基于车体静强度计算标准，确定9种车体结构静强度的計算工况，在这些计算工况作用下，计算车体结构的静强度。
计算在最大垂直载荷作用下车体结构刚度，以及车体结构模态与整备状态下车体结构模态。
计算结果表明该铝合金地铁车体结构的刚度、静强度和模态均满足车体结构设计要求。
标签：铝合金车体；有限元；静强度；模态0 引言随着城市的快速发展，地铁作为各大城市的重要交通工具之一，研发水平在不断地提高，在车体新材料和新工艺方面的研究也越来越多。
铝合金材料以密度小、密封性好和易于挤压成型等优点，越来越广泛地应用于铝合金地铁车体。
为确保车辆在工作状态下安全可靠，车体结构必须要有足够的刚度和强度，满足相关的技术标准。
目前车体结构的强度计算分析主要采用有限元法，为其结构改进和优化提供依据。
1 车体结构与有限元模型本文以某城轨铝合金地铁中间车为研究对象，车体采用全长的大型中空铝合金挤压型材组焊成筒型整体承载结构，主体结构由底架、车顶、侧墙和端墙焊接而成。
底架采用无中梁结构，主要有牵引梁、枕梁、边梁、横梁和地板组成。
车顶由5块3种挤压模块用纵向焊缝拼焊、空调安装平台和受电弓安装平台等组成。
侧墙由4种挤压模块用纵向焊缝拼焊和门立柱等组成。
端墙由端角柱、门口立柱、墙板、侧顶弯梁和横梁拼焊而成。
该铝合金地铁车体的长度、高度和最大宽度分别为22880mm、2725mm和3000mm。
在分析了铝合金车体的结构特点和材料的力学性能的基础上，采用HYPERWORKS有限元软件进行计算。
采用SHELL单元离散车体结构，车体模型包括196万个单元和176万个节点。
2 计算工况和评定标准依据《BS EN12663：2010 铁道应用-轨道车身的结构要求》，确定车体静强度计算工况。
此次分析主要包括9个计算工况：（1）计算工况1：空载工况；（2）计算工况2：最大运转载荷工况；（3）计算工况3：空载压缩工况；（4）计算工况4：空载拉伸工况；（5）计算工况5：超员压缩工况；（6）计算工况6：超员拉伸工况；（7）计算工况7：两端抬车工况；（8）计算工况8：一端抬车工况；（9）计算工况9：三点支撑工况。
地铁铝合金车体静强度分析以及底架横梁尺寸优化
地铁铝合金车体静强度分析以及底架横梁尺寸优化车体的静强度分析是分析车体性能不可或缺的一部分，静强度分析能够清晰的得出车体在各个工况下应力的分布情况。
文章以某地铁铝合金中间车的底架为研究对象，利用HyperMesh软件建立了该车体结构的有限元模型。
借鉴了国内外的地铁车辆技术标准确定了载荷工况，基于该铝合金中间车车体的结构特点，对车体的底架横梁部分进行尺寸优化，对优化之后的车体静强度以及刚度进行了计算和校验，计算结果均符合材料以及设计要求，在保证车体静强度和刚度符合条件的同时，改进了底架横梁的尺寸，减小了车体的质量，与原车体底架横梁质量相比减小了20.89kg。
标签：铝合金；车体；静强度；尺寸优化Abstract：The static strength analysis of the car body is an indispensable part of the analysis of the car body performance. The static strength analysis can clearly get the distribution of the stress of the car body under various working conditions. In this paper，a finite element model of a subway aluminum alloy middle car is established by using HyperMesh software. Based on the structural characteristics of the aluminum alloy intermediate car body，the size optimization of the frame beam part of the car body is carried out based on the reference to the domestic and foreign subway vehicle technical standards. The static strength and stiffness of the optimized car body are calculated and calibrated. The calculated results meet the requirements of material and design. The size of the underframe beam is improved while the static strength and stiffness of the car body conform to the conditions. The weight of the car body is reduced by 20.89 kg，compared with the frame beam of the original car body.Keywords：aluminum alloy；car body；static strength；dimension optimization引言地铁车是城市轨道交通装备的重要组成部分，高效便捷的轨道交通是缓解我国由于城市人口迅速增长而造成交通巨大压力的首选方案。
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关键 词
疲劳
地铁
模 态
北 京复八 线 车体 有 限元 Ｕ７． ２０ １ 文章 标志码 Ａ
静 强 度
式 中 ， 是 刚度 矩 阵 ， 是 位 移 向量 ， 是 载 荷 向 量 。 Ｆ
中 图分类 号
文章编 号
引入位移和载荷边 界条件 ， 对式 （ ） 成的大方程 １形 组求解 ， 即可求 出结构节点位 移 ， 进而通 过弹性 几何方
１ ２ 模 态 分 析 ．
用模态分析可以确定一个结构 的 固有频率和振型 ，
固有 频 率 和 振 型 是 承 受 动 态 载 荷 结 构 设 计 中 的 重 要 参
的要求 ， 因此 新造 地铁 车 辆均 安装 了空 调设 备 。北 京
复八 线 地 铁 服 役 较 早 ， 施 简 陋 ， 安 装 空 调 。为 了 提 设 未 高乘 客 乘 坐 的舒 适 性 ， 时 节 约 运 营 成 本 ， 京 交 通 大 同 北 学 与北 京 地 铁 运 营 有 限 公 司合 作 ， 原 车 体 进 行 结 构 对 改造 ， 以便 加 装 空 调 设 备 。改 造 方 案 由 双 方 共 同 协 商
程 和 物 理 方 程 可 求 出结 构 的 应 变 和 应 力 。
１７ ６ ７ （ ０ １ ０ — １ １ ０ ６ ２— ０ ３ ２ ｌ ） １ ０ ０ — ３
随 着 我 国经 济 的 快 速 发 展 和 城 市 化 进 程 的加 快 ， 各 大 城 市 已将 大 力 发 展 轨 道 交 通 作 为 促 进 城 市 可 持 续 发展 的 重要 手 段 。 在 城 市 轨 道 交 通 事 业 迎 来 高 速 发 展 时期 的 同 时 ， 客 对 乘 坐 的舒 适 性 和 安 全 性 也 有 更 高 旅
（ ．北京交通大学 机械与电子控制工程学院 ， １ 北京 １０ ４ ； ．国家知识产权专利审查 中心 ０ ０４ ２ １０ ９ ） ０ １０
摘
要 以 北 京 复 八 线 地 铁 加 装 空 调 后 的 车 体 结 构 为
１ 理论 基 础
１ １ 应 力 分 析 ． 有 限元法是 以变分 原 理为 基础 ， 将研 究对 象离 散 成有 限多个单元 体 ， 通过分析一组 代数方 法 ， 进而求 得
振 动 的方 程 为
Ｘ＝西ｅ Ｊ （） ４
生影响 。笔者 以改造后 的车体为研究对 象 ， 采用 有 限 元 分 析方法 ， 对车体结构进行静强度 、 疲劳强度及模 态
分析 。
收 稿 日期 ： ０ ０－ ４— ２ 修 回 日期 ： ０ ０— ５— ８ ２ １ ０ １ ２ １ ０ １
由式 （ ）式 （ ） ３ 、 ４ 可得
（ 一 Ｍ） ＝ Ｋ 西 ０ （） ５
自 由振 动 时 结 构 各 节 点 的 振 幅 不 全 为 零 ， 以 由 所
式（） ５ 得
Ｉ —Ｏ Ｍ Ｉ ０ Ｋ Ｊ ＝ （ ６）
作 者 简 介 ：占彦 ， ， 士研 究 生 ， 事 车 辆 结 构 强 度 研 究 ，８ ２ ８８ 女 硕 从 ０ １ １４ ＠ ｂｔ． ｄ ｎ ｊ ｅ ｕＣ ｕ 李强 ， ， 授 ， 士生 导 师 男 教 博
ＭＸ ＋ Ｘ ＝０ （ ３）
新造 的空调平 台焊接 到车顶 开窗 四周 ， 在连接 处设 并
置 补 强 板 。 空 调 安 装 在 空 调 平 台 上 ， 整 车 质 量 增 加 使 了约 １６ｔ这 将 对 车 体 的 动 力 学 性 能 及 结 构 强 度 产 ． ，
在 自由振动时 ， 结构上各 点作简谐 振动 ， 假设 简谐
近 似 值 。有 限元 静 力 分 析 的控 制 方 程 为
ＫＵ ＝Ｆ （） １
研 究对 象 ， 用有限元 分 析软 件 Ａ Ｓ Ｓ对 车体 结 构进 利 ＮＹ
行 有 限元分析 ， 其 进 行静 强 度计 算 和模 态分 析 。结 对 果 表 明， 装 空调后 的 车体 结 构 能 够 满足 强度 和 刚度 加
数。 模态 分析 的核 心 内容 是确 定结 构振 动的特 征值 问 题。对于一个 Ｎ 自由度线性 系统 ， 其运动微分方程为
ＭＸ ＋ＣＸ ＋ＫＸ ＝Ｆ （ ２）
式 中 ， 阵 Ｋ、 和 Ｃ 分 别 为 刚 度 矩 阵 、 量 矩 阵 和 阻 矩 Ｍ 质 尼矩 阵 ， 为 作 用 力 向 量 ， 、 和 分 别 为 位 移 向 量 、 Ｆ 速 度 向量 和加 速 度 向 量 。 由 于模 态 是 系 统 结 构 的 固有 特 性 ， 外 部 的 载 荷 与 条 件 无 关 ， Ｆ ＝ ， 忽 略 阻 尼 Ｃ 的 影 响 ， 到 无 阻尼 即 ０并 得
都 市 快 轨 交 通 ・第 ２ ４卷 第 １期 ２ １ ０ １年 ２月
《 机 电工 程
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ７ ６ ７ ． ０ １ ０ ． ２ ｏ ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ６ ２— ０ ３ ２ １ ． １０ ５ ｓ
地铁车体改造结构强度及模态分析
占 彦 李 强 王 刚２
而定 ， 北京交通 大学对 改造 后 的车体 结 构进 行强度 校 核， 随后北京地铁负责实施地铁 的改造工作 。
结 构 改 造 主 要 针 对 车 顶 进 行 。 每 节 车 预 备 安 装 ４个 空 调 ， 构 改 造 需 在 原 拱 形 车 顶 上 开 ４个 窗 ， 结 将
系统 的 自由振 动方程 为
和相 对 应 的 ｎ个 特 征 向 量 。其 中 ， ， ２ … ， 特 征 】（ ， 咖 ｂ
工 况 工 况 名称
式（） Ｂ ＮＲ Ｐ ＩＴ Ｎ ／ ０ Ｒ Ａ Ａ Ｉ Ｒ Ｌ Ｒ ＳＴ ＤＡ Ａ １ １
都市快轨交通 ・第２ ４卷 第 １ ２ １ 年 ２月 期 ０１
可知， 求解该问题可以求出 ｎ 个特征值 ｝ ｝ …， ， ，