基于ANSYS的燃料电池低地板车体强度分析

王国静 苏强 崔凯

摘 要：本文介绍了薄壁筒型整体承载的燃料电池低地板有轨电车车体结构及特点。在三维模型软件Pro/E中建立了车体的模型，依据欧洲标准确定了载荷参数及工况，运用有限元分析软件AYSYS求解器进行求解，得到车体结构在给定工况下所产生的应力。结果表明该燃料电池低地板铝合金车体的强度满足要求，同时为此类车体结构再优化设计、结构改进提供了参考依据。

关键词：燃料电池低地板有轨电车；车体结构；ANSYS；工况；应力

1 前言

车体是车辆结构的主体，车体强度关系到车辆运行的安全性和可靠性。因此，为保证车体强度及乘客的人身安全，车体强度的计算对车体的设计非常重要。本文进行了燃料电池低地板有轨电车车体结构及特点介绍，通过三维模型软件Pro/E中建立了车体的模型，依据欧洲标准确定了载荷参数及工况，运用有限元分析软件AYSYS求解器进行求解，得到车体结构在给定工况下所产生的应力，为车体的结构设计及优化提供依据。

2 燃料电池低地板有轨电车车体结构特点

燃料电池低地板有轨电车车体系统为整体承载筒形结构。车体由大断面铝挤压型材焊接而成。底架枕梁结构独特新颖，为十字梁结构，轮对上方采用车轮罩结构，车轮罩与车体采用结构胶粘接，这样一方面能满足载客量要求，另一方面枕梁处可通过自身变形向车体两端传递载荷以释放应力，车轮罩与车体的弹性连接使其具有更高的疲劳强度，提高车体寿命。车顶中间为拱形，两侧为平面，能够很好的实现车顶排水，同时车顶两侧的平面主要安装电气设备，方便设备的检查和维修。端墙结构简单，端墙内轮廓依据风挡及内装的要求设计为类似月亮门形状，外行美观。

此车所有的电气设备均安装到车顶，使得车下结构简单，大大降低了车体的高度，从而低地板达到100%。

车与车之间通过铰接装置进行联挂，使列车顺利通过曲线线路。同时铰接装置能够承受列车的冲击和振动，能够传递车辆间的纵向载荷、横向载荷、垂向载荷。

燃料电池低地板有轨电车车辆及车体的主要技术参数为车体强度计算提供了边界条件，其中Mc车车体长度为10050mm，T车车体长度为9140mm；车体宽度和高度分别是2650mm和3500mm。

3 燃料电池低地板有轨电车车体有限元模型

根据车体三维实体模型确定所有结构和型材的实际断面，然后，建立车体相应结构和型材的中面线框，建立与之对应的有限元分析所需的车体三维中面模型。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[1]。考虑计算的准确性，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。整车结构的有限元模型中单元总数为2173049，结点总数为1736446，图1给出了整车车体结构的有限元模型。

3.1 仿真流程

首先，在Pro/E中建立车体的三维模型，为减少工作量提高仿真效率对车上及车外设备的几何模型进行简化处理。其次，保证在Hyperrmesh中划分单元网格。再次，依据EN12663-1：2010《铁道应用—轨道车身的结构要求》确定了本文的仿真参数和仿真工况。最后，利用ANSYS软件自带的求解器进行求解，具体仿真过程参照图2。

3.2 仿真工况

依据EN12663-1：2010《铁道应用—轨道车身的结构要求》共设定了20种仿真工况[2]，纵向载荷工况2个，垂向载荷工况及吊车工况工18个。现对纵向和垂向载荷工况进行详细分析，具体参照表1。

4 计算结果分析

四种工况作用下，车体的最大应力云图如图3所示。

四种工况下，车体的最大应力情况如下：

纵向拉伸载荷工况作用下：最大应力分别为156MPa，发生在头车转向架座型材处；

纵向压缩载荷工况作用下：最大应力为157MPa，发生在头车转向架座横梁处；

垂向载荷工况作用下：最大应力分别为192MPa和156MPa，均发生在头车转向架座型材处；

将四种工况下应力较大的应力云图进行分析，上述四种纵向和垂向载荷工况，应力均较大，应力较大值均在底架的转向架座型材和横梁位置处。但最大Mises应力值均小于相应材料的屈服强度，该车车体的静强度满足标准要求。其它工况作用下应力比较小，且强度合格不再赘述。

5 结论

上述计算表明，使用壳单元模拟车体结构，能够有效的反映出铝合金车体的结构特点，是车体静强度分析的理想手段。

（1）本文分析的四种载荷工况有效的模拟了燃料电池低地板有轨电车车体纵向和垂向受力工况。经有限元静强度计算，车体在给定的四种工况下的应力水平都小于相应结构对应的应力。

（2）本文的车体强度计算为燃料电池低地板有轨电车的结构优化设计提供了依据。

参考文献

[1]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，2000

（作者单位：中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心）