25T客车车体结构静强度计算及振动模态分析

安红恩，张　鹏

(黄河交通学院，河南 武陟　454950)



25T客车车体结构静强度计算及振动模态分析

安红恩，张鹏

(黄河交通学院，河南 武陟454950)

摘要：根据TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》和BS EN12663-1:2010 《Railway applications—Structural requirements of railway vehicle bodies》的有关要求，在与工厂相关技术人员讨论的基础上，确定了计算载荷、计算工况和评定方法；根据详细的车体结构有限元力学模型，采用通用有限元NSTRAN软件计算了车体结构的静强度、振动模态以及结构稳定性。计算结果表明：车体结构的静强度在各计算工况下皆能满足TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的要求。

关键词：碳钢车体结构；静强度；振动模态；有限元

随着轨道交通车辆制造技术的不断提高，客车车体以其美观的外形、高强度的质量比、良好的耐腐蚀性、较低的维护费、较长的使用寿命、较高的安全性等优点，得到了社会的青睐。为检验其设计的合理性、结构的优化性，必须对客车车体的结构进行模态的分析和静强度的计算。

南京浦镇车辆有限公司技术中心客车设计部设计的25T型客车车辆的车体结构由底架、左右侧墙、车顶、端墙组成，车体结构承载件均为碳钢材料，所有结构均采用焊接连接形成整体，主要焊接形式为搭接焊、对接焊、角焊和塞焊[1]。

本次计算分析按照TB/T1335—1996标准中对车体结构静强度、刚度和振动模态的规定和BS EN 12663-1:2010标准中对车体结构的稳定性规定进行。在计算模型的建立中，充分考虑了车体各部分连接的真实情况，车体结构的薄板采用壳单元进行离散，塞焊连接处采用特殊的点焊单元模拟其连接。所有计算分析均在有限元通用商业软件NASTRAN上完成。

1模型说明

车体结构各部位所用材料如表1所示。

表1　车体结构所用材料的分布表

2载荷及计算工况

2.1载荷

根据公司提供的设计资料，车体的重量分布如表2所示。

表2　车体重量分布

(续表)

2.2各工况载荷及约束

质量符号说明如表3。

表3　质量符号说明/kg

对设计的8个静强度工况和4个振动模态及稳定性计算工况分别施加载荷和约束，其模态和稳定性工况说明如表4。

表4　模态和稳定性工况说明

3验收标准

3.1静强度要求

静强度计算分析的验收标准如下：

(1)不产生永久变形。

(2)根据TB/T1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的要求，通过计算得到的材料的应力值在一般工况下必须小于等于相应的许用应力，在设备冲击工况下也必须小于等于相应的许用应力[2-3]。

3.2弯曲刚度要求

车体侧墙的弯曲等效刚度应大于等于1.8×109N·m2。

3.3扭转刚度要求

车体结构的扭转等效刚度应大于等于5.5×108N·m2。

3.4稳定性要求

车体结构在满载和压缩状态下，各部分结构的最小屈曲载荷因子大于1.5。

4车体的模态分析

4.1车体承载结构模态分析

如表5所示，车体结构的一阶垂向弯曲振动频率最小值为16.564 Hz，车体结构的一阶扭转振动频率最小值为21.397 Hz，一阶菱形变形频率最小值为8.616 Hz，能有效避开与转向架的相关振动模态[4-5]。

表5　车体自振频率/Hz

4.2整备状态下模态分析

如表6所示，整备状态下车体的一阶垂向弯曲振动频率最小值为10.04 Hz，车体结构的一阶扭转振动频率最小值为12.57 Hz，一阶菱形变形频率最小值为5.721 Hz，能有效避开与转向架的相关振动模态。

表6　车体自振频率/Hz

5车体稳定性分析

对车体进行了满载状态和压缩状态的稳定性分析，考核车体结构在极限载荷作用下的结构稳定性。表7列出了在两种状态下结构失稳的固有频率及其出现的位置。计算结果表明车体结构的稳定性满足标准要求[6]。

6结论

按照TB/T1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》，对车体结构的7种静强度考核工况、2种结构振动模态考核工况以及2种稳定性考核工况进行了计算分析，可以得出以下结论：

一是车体结构的静强度在各计算工况下皆能满足标准的要求。

二是车体结构的等效弯曲刚度和等效扭转刚度皆满足标准要求。

三是车体的一阶垂直弯曲频率为10.04 Hz，与通常此类型车辆频率相近，需根据转向架的振动频率判断有无共振可能性。

四是车体在满载和压缩状态下最小屈曲因子均大于1.5，满足标准规定的要求。

参考文献

[1]鲁寨军,田红旗,周丹.270km·h-1高速动车模态分析[J].中国铁道科学,2005,26(6):18-19.

[2]张曙光．高速列车设计方法研究[M]．北京：中国铁道出版社，2009.

[3]郝鲁波，胡青泥，李刚．整备状态下客车模态的有限元分析探讨[J]．铁道车辆，2004，42(11)：4-7．

[4]许彦强，肖守讷．某出口米轨动车组(Tc车)车体设计及试验对比研究[J]．铁道机车车辆,2012,32(3):71-75.

[5]邹远．高速列车车体断面优化设计[D]．成都：西南交通大学,2011.

[6]江太宏．动力加载车车体设计分析与试验验证[D]．成都：西南交通大学，2012.

[责任编辑：赵伟]

收稿日期：2016 - 03 - 02

作者简介：安红恩(1982—)，男，河南商丘人，黄河交通学院汽车工程学院讲师，硕士， 研究方向为车辆装备及液压控制。 张鹏(1981—)，男，江苏扬州人，黄河交通学院汽车工程学院讲师，硕士，研究方向为车辆及其装备系统动力学。

中图分类号:U260.32

文献标志码:A

文章编号：1008-6811(2016)02-0038-03

25T Bus Body Structure Static Strength Calculation and Analysis of Vibration Modes

An Hongen,Zhang Peng

(Huanghe Jiaotong University, Wuzhi 454950,China)

Abstract:According TB / T 1335—1996 "railway vehicle strength design and test evaluation norms" and EN12663—1: 2010 "Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies", the load calculation, calculation conditions and evaluation method is determined on the basis of discussions with the technical staff in the factory; based on detailed finite element model of the body structure,using finite element program NSTRAN software to calculate the vehicle body static strength body structure, vibration modes and structural stability. The results show that: the static strength of the body structure in the calculation of operating conditions Jieneng meet TB / T 1335—1996 "railway vehicle strength design and test evaluation" requirements.

Key words:carbon steel body structure; static strength; vibration mode; finite element