有轨电车复合材料车顶板结构仿真研究

杨忠坤，缪炳荣，陈翔宇，周 凤

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031）

0 引言

有轨电车车顶板是车体结构中的关键部件，通常采用由型材和复合板连接而成的复合材料。有轨电车运行过程中，车顶板复合结构通过螺栓连接的形式安装于车体顶部，承受着各种复杂的随机载荷。在车体顶板结构设计时，首先要保证车顶板安装的稳定性及可靠性。为了保证动力电池、水冷系统、VVVF 箱、空调等设备的安装以及有轨电车的行车安全性，车顶板复合结构不仅需要具备一定的结构强度，还需具有足够的刚度，以避免车顶板在车辆运行过程中因刚度不足而产生变形或者振动噪声。根据某型有轨电车 SFY06 复合材料车顶板的二维 CAD 装配图，利用前处理软件 Hypermesh 建立车顶板有限元模型，利用计算软件 Ansys 对其进行4 种典型工况下的强度计算和模态计算，判定该复合材料车顶板结构设计是否合理。

1 车顶板有限元模型

1.1 车顶板结构

该复合材料车顶板在构造上由厚度较薄、强度较高、刚度较大的不锈钢材料作为上下表层，用密度较小、厚度较大且具有一定承剪能力的铝型材和泡沫芯材作为内芯，由粘胶粘接成三明治夹层结构。夹层结构的主要特点是抗弯刚度大，可以在结构质量较小的情况下承受更大的弯曲载荷，具有较高的抗弯刚度质量比和良好的耐疲劳特性。此外内部芯材结构相对较轻，利于结构的轻量化设计，并且具有一定的隔音性能。典型的三明治夹层结构如图1所示，此种夹层结构的受力状态与工程分析中所用工字梁的力学原理基本相似，外表面像工字梁的凸缘承受压缩和拉伸应力，内芯则主要承受剪切应力。

图1 三明治夹层结构

1.2 有限元建模

该型有轨电车 SFY06 复合材料车顶板结构的总体尺寸如表1所示。车顶板整体结构尺寸较大，因制造工艺需要而增加的倒角或圆角对车顶板整体结构强度没有明显影响，可以将其简化为直角形式，有利于降低网格划分的难度。车顶板结构为 3 层复合材料结构，上下 2 层表面为 304 不锈钢板，中间夹层及周边位置由 6063T5 铝合金型材和 AIREX T90 结构泡沫芯材组成，其机械性能如表 2 所示，车顶板复合结构的横截面如图 2 所示。

表1 车顶板结构的主要尺寸

表2 车顶板材料的机械性能

图2 车顶板横截面示意图

为了使计算结果更加准确，上下表面 2 层不锈钢板采用壳单元shell181进行模拟，该单元可以与线弹性、弹塑性、蠕变或高弹性材料特性联系，是用于复合材料层合板结构分析比较好的单元之一。夹层铝型材和泡沫芯材采用实体单元 solid45 进行模拟，该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，满足复合材料车顶板内芯的受力特性。

在建立车顶板中层面模型中，为保证各层结构的单元节点重合，首先对下表面进行面网格划分，由其映射生成中间的实体单元，最后复制实体面网格得到上表面的网格。将上下表面的不锈钢板及附属安装卡槽定义为 shell181 单元，夹层芯材定义为 solid45 单元，将整个车顶板总共离散为 218 216 个节点、282 216 个单元的有限元模型，如图 3 所示。

图3 车顶板有限元模型

2 车顶板强度计算

2.1 车顶板载荷工况

根据复合结构车顶板的装配图进行悬挂设备垂向加载，其中包括 1 个动力电池、2 个水冷装置、2 个 VVVF箱和 1 个空调装置，将以上各附件重量平均分配到其对应位置的节点上，具体加载数值参见表 3。因车顶板与车体之间采用螺纹副进行连接，计算时需要对所有螺纹孔上节点施加全约束。

表3 设备加载数值

除吊挂设备对车顶板产生的静态载荷外，还应考虑有轨电车正常运行时转弯、加速、制动等工况所产生的随机载荷，需对车顶板结构进行静强度和疲劳试验加载计算。对于该型有轨电车，取重力加速度为g= 9.81 m/s2，车顶板强度计算加载工况如表 4 所示，各工况加载边界条件如图 4 所示。

表4 车顶板计算工况

2.2 计算结果分析

根据强度理论的应用准则，三向压缩应力状态下的塑性屈服应选用第四强度理论对车顶板进行强度校核，其判定条件为：

图4 有限元计算边界条件

式（1）中，σM为 Von-Mises 等效应力；σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力；[σ] 为应力容许值。

根据上述强度理论，对静载状态下的车顶板进行强度校核。车顶板各工况下节点等效应力值不应超过材料的许用范围，以保证有轨电车正常运行时车顶板不会发生断裂、塑性变形及表面损坏等情况。

对各工况下车顶板的应力及位移进行计算，各种工况对应的最大应力及位移计算结果见表 5，各工况对应车顶板的应力云图及位移云图见图 5、图 6。

表5 有限元计算结果

由计算结果可知，垂直静载、设备吊挂、静强度及疲劳试验加载工况下车顶板最大应力均出现在车顶板左下方第 6 个螺纹孔处，并且各螺纹孔附近均有较大应力出现，最大应力值为 61.547 MPa，小于所用材料 6063T5铝型材的许用应力 113 MPa（安全系数 1.5）。工况 1 垂直静载下车顶板最大位移发生在车顶板中间位置，最大位移量为 0.045 mm，工况 2、工况 3、工况 4 下车顶板最大位移量分别为 0.57 mm、0.49 mm、0.56 mm，最大位移均发生在车顶板通风口位置，相对变形量极小。根据铁路车辆车体结构 EN12663-1-2010 强度评估标准可见，计算结果（应力和位移）均在车顶板所用材料应力应变的许可范围之内，由此可判断车顶板结构设计合理。

3 车顶板模态分析

采用静强度分析时所用的车顶板有限元模型进行模态分析，使用 Block Lanczos 模态提取法对车顶板进行模态计算。车顶板模态分析计算采用零自由度约束，即在车顶板的X、Y、Z3 个方向均不施加约束。车顶板结构的前 6 阶模态频率均为零，表现为刚体的平动或转动，不对其进行分析。对车顶板进行模态分析时主要观察后面频率大于零的模态，取前 6 阶的固有频率及相应振型，计算结果见表 6 和图 7。

图5 车顶板应力（von Mises）云图（单位：MPa）

图6 车顶板位移云图（单位：mm）

表6 车顶板固有频率和振型

由车顶板模态分析计算结果可以发现，其自振模态主要以弯曲、扭转为主，产生较小弯曲说明车顶板结构总体刚度较大，有利于车顶板结构承受较强载荷时仍能够较好地与其他部件保持连接状态。产生扭转表明车顶板扭转刚度较小，有利于有轨电车在高速运行时适应高低起伏的路况，使有轨电车能够平稳地转弯和安全地通过曲线。第 6 阶振型为平面剪切，对应的频率值为 47.617 Hz，表明车顶板结构具有较大的横向弯曲刚度，有利于车顶板承受较大的纵向载荷。车顶板整备状态下的第1阶固有频率为 6.983 2 Hz，在车辆主要行驶频率（6～10 Hz）范围内，并且远离轨道的常态激振频率（1～3 Hz），可以从根本上避免由轨道激励引起的共振发生。

4 结束语

建立有轨电车 SFY06 复合材料车顶板等效性仿真有限元模型，根据欧洲铁路车辆车体结构要求 EN12663-1-2010 强度评估标准并结合车顶板实际受力状态，对其进行垂直静载、设备吊挂、静强度试验和疲劳试验加载 4种工况下的强度计算和模态计算。强度计算结果表明，车顶板安装螺纹孔附近均有较大应力出现，最大应力出现在车顶板左下方第6个螺纹孔处，最大应力值为 61.547 MPa，小于所用材料 6063T5 铝型材的许用应力 113 MPa（安全系数 1.5）；应力和位移均在车顶板材料应力应变的许可范围之内。由此可判断车顶板的结构设计合理。模态分析结果表明，该复合结构车顶板动态特性设计合理，具有较好的总体刚度，可从根本上避免因轨道常态激励导致的共振发生。

图7 车顶板模态振型（单位：mm）

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