高速动车组车体结构断面刚度特性分析

王剑,达瓦 ,张振 ,马纪军

(1.大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028；2. 中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 116028)*

0 引言

高速动车组车体大多数采用全承载式铝合金结构，全承载式铝合金车体由底架、侧墙、车顶、端墙以及司机室几大部分组成，各个组成部分由大型铝合金挤压型材进行拼焊，各个组成部分之间进行焊接连接.这种全承载式铝合金车体承载着高速动车组运行过程中的所有载荷，对于高速动车组来说，车体刚度特性的性能，直接影响动车组车体的安全性、可靠性以及舒适性等关键指标[1-2].在我国《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》、《TB1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》都对车体刚度要求做了说明.在车体设计、分析及试验过程中，也严格要求车体底架边梁在超员工况下，垂向最大变形不得超过车辆定距的1‰.

车体刚度是一个反应车体整体性能的指标，也是仿真分析、试验验证过程中首要考虑的问题，一旦车体垂向刚度不合格，很难通过局部修改实现整体刚度的提升.许多设计与分析人员对车体刚度都进行了研究[3-6]，其中谢素明[7]基于有限元仿真方法，做了大量计算分析工作，研究了刚度协调的设计方法.屈晶晶[8]以车身平稳性为指标评估车体刚度，分析了车下吊装设备连接方式对车体及设备本身平稳性的影响.贺小龙[9]利用灵敏度思想，以车体不同部位厚度作为设计变量，研究了车体固有频率和刚度随不同区域型材厚度变化的关系.李焱[10]将车体分为五个部分，计算了不同部分对车体刚度的灵敏度信息，并在此基础上进行了车体结构的轻量化设计.

当前对车体刚度的研究，多数以仿真分析为基础，以计算结果来指导设计.本文通过理论分析，并编制了相应程序，计算了动车组车体典型断面的抗弯刚度，在仿真分析前，就可以得到车体不同断面的抗弯性能，为设计提供参考，缩短设计周期.

1 车体刚度影响因素及计算

高速动车组车体是由大型中空铝合金型材焊接而成的筒形整体承载结构，车体抗弯刚度与其材料弹性模量、截面惯性矩、支撑条件密切相关，当车体材料和周边支撑条件确定之后，截面惯性矩决定着车体的弯曲刚度.

如图 1所示，对某一断面任一对轴的惯性矩和惯性积，若X轴平行于面积形心坐标系的xc轴，两者的距离为a；Y轴平行于yc轴，两者的距离为b，那当前面积对X轴和Y轴的惯性矩应为：

(1)

这里，

x=xc+b,y=yc+a

(2)

将式(2)代入式(1)中，得：

(3)

(4)

Ix=Ixc+a2A

(5)

Iy=Iyc+b2A

(6)

图1 任意平面图形示意图

2 车体断面刚度计算程序

基于上述原理，原则上可以求解车体任意断面的惯性矩信息，为了方便设计与分析，本文在ANSYS软件平台上，充分利用了APDL命令流的便捷性，开发了车体断面几何信息提取程序，实现了对一般断面几何特性的计算与输出，利用此程序模块，在ANSYS中能够快速获取断面几何面积、形心坐标、惯性矩、惯性积、形心主惯性矩等断面信息，进一步能够提取得到几何断面的剪切中心、翘曲常数、扭转常数等.

利用上述二次开发程序，进行车体断面刚度分析的基本流程如下：

(1)创建或导入几何模型，进行模型简化处理；

(2)切分车体，获取不同位置的车体断面几何；

(3)定义单元类型、定义网格尺寸，对车体几何断面进行网格划分；

(4)计算车体断面几何特性，按需输出.

断面特性工具箱是基于ANSYS软件平台开发的，采用UIDL构造界面、APDL参数化语言实现计算输出，计算速度快，ANSYS各版本通用等优点.断面特性工具箱被内嵌在主菜单的前处理部分，点击"断面特性工具箱"，进行计算与分析，工具箱调用界面如图 2所示.

(a) 工具箱调用菜单

(b) 计算、数据输出及绘图界面

3 高速动车组车体断面刚度分析

利用上述断面刚度特性分析程序，分析了几种动车组车体断面刚度特性，总结提高断面刚度特性的几点原则，供设计人员参考.对高速动车组车体头车与中间车，每列车分别选取了不同位置的几个断面.对于头车，选取了司机室门断面、车窗断面、车体完整断面、客室门断面、客室小窗断面几处不同位置进行切割.对于中间车，由于车顶布置了受电弓、空调等设备，分别选取客室门断面、平顶车窗断面、车窗断面、车体完整断面、空调设备断面几个车体断面进行分析.图 3、图 4中分别为头车和中间车车体的五个典型断面位置示意图.通过调用分析程序，可以绘制不同截面的详细形状，计算得到的头车车体的断面特性见表 1，中间车车体的断面特性计算结果见表2.

图3 头车车体横断面位置

图4 中间车车体横断面位置

表1 头车车体典型断面物理特性计算结果

表2 中间车车体典型断面物理特性计算结果

结合实际断面形状，分析表1数据可以看出，车体横断面缺少车窗部分时，相对于完整断面，面积减少10.03%，Ixc减少0.92%，yc减少16.16%；车体横断面缺少车门部分时，相对于完整断面，面积减少29.28%，Ixc减少9.7%，yc减少47.26%；由此可见车体侧墙开车门之后，断面抗弯能力近乎减半；在车体侧墙开车窗且车顶开空调口时，相对于完整断面，面积减少23.93%，Ixc减少35.8%，yc减少20.2%；在车体侧墙开车门且车顶开空调口时，相对于完整断面，面积减少35.64%，Ixc减少30.69%，yc减少44.13%；此时断面惯性矩已严重降低，致使侧门门角为强度薄弱区域之一.

车门空调断面相对于车门断面，面积减少8.9%，Ixc减少23.2%，yc反而增加5.9%，由组合图形利用平行移轴定理并结合叠加法计算关于其形心轴惯性矩的原理可知：空调开口并非简单地削弱yc，其开口大小决定车顶两部分形心偏移yc的距离，由此可见yc不降反增主要是得益于车顶两部分形心偏移yc的积极贡献；车门空调断面相对于车窗空调断面，面积减少15.4%，yc上移68.3 mm，Ixc反而增加7.9%，由此可见提升断面形心纵坐标有助于保持甚至增加Ixc.

由表2可以看出，车体横断面缺少车窗部分时，面积减少12.19%，Ixc减少0.3%，yc减少20.24%；在车体侧墙开车窗且车顶为受电弓时，相对于完整断面，面积减少7.7%，Ixc增加2.5%，yc减少20%；在车体侧墙开车门且车顶为受电弓时，相对于完整断面，面积减少33.6%，Ixc减少14.4%，yc减少58.56%；此时断面惯性矩已严重降低，致使侧门门角为强度薄弱区域之一.车体断面开空调口时，面积减少15.02%，Ixc减少30.3%，yc减少2.9%；

值得注意的是，车窗受电弓断面相对于完整断面面积有所减小，但形心位置上移49.6 mm，致使Ixc不减反增.由此可见，车窗受电弓断面有效地保持了断面面积、维持了Ixc，有助于保障车体横断面的刚度协调.

从计算结果可以看出，其基本规律是，断面惯性矩随断面面积的变化而变化，面积若增加，断面惯性矩则增加；面积若减小，断面惯性矩则减小，这就要求，设计过程中应该尽量保持截面形状的完整性，在不可避免开孔位置，如空调、受电弓等车顶面积缺失部位应与车门车窗部位尽量避免相重叠，最起码，应该是重叠部分越小越好，保证对整体刚度影响趋于最小化.

两个车体截面特性计算结果也显示，即便是相同面积的断面，由于面积分布的不同，计算得到的抗弯刚度也不一样，相同面积对惯性矩的贡献不一样，甚至一些面积较小的截面能提供更大的抗弯能力.从理论上分析，总面积相同，而面积分布不同，导致中性面位置的不同，而使截面惯性矩不同.不对称的车体结构使得yc的变化对Ixc有着显著的影响，yc变化越大对Ixc的影响越显著.

4 结论

本文研究了高速动车组车体刚度设计方法，基于梁变形理论，设计开发了车体断面特性分析程序，基于此程序，可以在设计过程中快速分析、提取车体断面数据.根据所提取数据，分析了不同高速动车组车体、不同断面的刚度变化以及主要影响参数.研究成果可以为设计人员提供理论支持和分析工具.