快速货运动车组铝合金车体结构强度分析研究

郭志成，郑 伟，于洋洋，李现远，高宝杰

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

快速货运动车组车体结构采用长大中空铝合金挤压型材组焊而成，为薄壁筒形整体承载结构，主要由底架、侧墙、车顶、端墙、设备舱和车体附件等部件组成。车体结构以CR400AF动车组车体结构平台为基础，按照等强度、轻量化设计原则设计。

根据快速货运动车组运输货物的特点，车辆的两侧的侧墙结构上仅设置两对门和通风格栅，为了保证货物出入动车组的便利性，并提升装卸效率，货运动车组的门区净空间较之前动车组增大较多；侧墙上不设置窗户结构；由于货仓区无人值守，车内不设置空调系统，车顶上方取消空调等相关设备；端墙未设置通过门等机构；底架结构根据货仓地板方案进行了局部调整，车体结构及车体断面简图见图1。车体结构主要参数见表1。

图1 车体结构及断面简图

表1 车体结构主要技术参数

1 车体有限元模型

1.1 计算坐标系

分析计算涉及坐标系的方向，均以下面的定义为准：车体的结构以XOZ平面为对称面；坐标原点位于两枕梁中心的纵向对称面轨道平面。（X向：车体纵向；Y向：车体横向；Z向：垂直于轨道平面向上。）仿真分析坐标系见图2。

图2 仿真计算坐标系

1.2 车体有限元模型

车体结构为铝合金板材、梁及型材组成的焊接结构，故侧墙、车顶、端墙等主要结构均采用SHELL单元按四节点薄板单元离散；底架枕梁、牵引梁、横梁等采用SHELL单元按四节点薄板单元离散，网格尺寸范围为10mm～20mm，采用刚性单元RBE2施加车钩载荷；采用点载荷模拟车顶、车下设备载荷（施加位置为设备质心），通过柔性单元RBE3连接设备各安装点；整车计算模型共分为764069个单元，518113个节点[1-7]。整车有限元模型如图3所示。

图3 车体结构有限元模型

2 计算工况和评定标准

2.1 计算工况

快速货运动车组为固定编组轨道车辆，车体强度按照EN 12663-1:2010+A1:2014《铁路应用—铁路车辆车身的结构要求—第1部分：机车和客运车辆》标准中PⅡ类别要求执行。车体结构进行强度分析包括如下八个工况：①AW0垂直载荷；②最大垂直载荷(1.3＊AW3)；③车端压缩载荷及垂直载荷AW3；④车端拉伸载荷及垂直载荷AW3；⑤地板上平面150mm处压缩400kN；⑥车身腰带高度压缩300kN；⑦边框顶条高度压缩300kN；⑧三点支撑于两端中心销处分别施加1.1倍转向架质量载荷[8]。

2.2 材料参数

车体结构中端墙部分主要采用板材拼焊，底架结构中部分补强板和复杂结构也采用板材，板材材料主要为A5083P-O；由于6系铝合金具有良好的塑性和较高的强度，侧墙、车顶和底架边梁等主结构由通长大型中空铝合金型材拼焊的结构均采用A6N01S-T5型材。铝合金主要性能参数见表2。

表2 车体材料的基本力学特性

2.3 评价标准

刚度评定标准：车体的一阶弯曲固有频率不低于10Hz。

根据EN 12663，车体在各静强度工况下的最大von Mises应力应小于材料的屈服强度，且安全系数不低于1.15。

3 计算结果

3.1 模态计算结果

通过分析计算，快速货运动车组车体结构一阶垂弯频率为18.16Hz。

3.2 强度计算结果

3.2.1 AW0垂载工况分析结果

在该工况下车体结构中最大应力位于门角内侧和门角边梁底部位置。门角内侧的最大应力值为105.5MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为1.94；门角边梁底部的最大应力值为25.25 MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为8.1。

3.2.2 最大垂载工况分析结果

在该工况下车体结构中最大应力位于门角内侧和门角边梁底部位置。

门角内侧的最大应力值为142.4MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为1.94；门角边梁底部的最大应力值为47.36MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为4.33。

3.2.3 AW3+车钩座1500kN纵向压缩工况分析

在该工况下车体结构中最大应力位于底架牵引梁和门角外侧位置。

牵引梁处的最大应力值为113.3MPa，该处材料的许用应力值为205MPa，安全系数为1.81；门角外侧的最大应力值为153MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为1.34。

3.2.4 AW3+车钩座1000kN纵向拉伸工况分析

在该工况下车体结构中最大应力位于底架牵引梁和门角外侧位置。牵引梁处的最大应力值为86.37MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为2.37；门角外侧的最大应力值为122.3MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为1.68。

3.2.5 端部压缩400kN工况分析

端部压缩400kN工况，主要加载点位于地板面上方150mm处。在该工况下车体结构中最大应力位于端墙弯梁和端墙焊缝处。端墙弯梁处的最大应力值为120.8MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为1.70；端墙焊缝处的最大应力值为64.92MPa，该处材料的许用应力值为125MPa，安全系数为1.93。

3.2.6 端部压缩300kN（车身腰带高度）

端部压缩300kN工况，主要加载点位于车身腰带处。在该工况下车体结构中最大应力位于端墙弯梁和端墙焊缝处。端墙弯梁处的最大应力值为83.2MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为2.46；端墙焊缝处的最大应力值为63.06MPa，该处材料的许用应力值为125MPa，安全系数为1.98。

3.2.7 端部压缩300kN（边框顶条高度）

端部压缩300kN工况，主要加载点位于车顶边框顶条处。在该工况下车体结构中最大应力位于端墙弯梁处。端墙弯梁处的最大应力值为122.5MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为1.67。

3.2.8 三点台车工况

在该工况下车体结构中最大应力位于门角外侧处。该处的最大应力值为131.3MPa，该处材料的许用应力值为205 MPa，安全系数为1.56。

4 结论

利用有限元分析方法求解在各种工况作用下快速货运动车组车体结构的模态和静强度，得出如下结论：

（1）车体结构的一阶弯曲固有频率大于10Hz，满足车体结构的固有频率的设计要求。

（2）在各中压缩、拉伸和垂载等单项和复合作用下，车体结构中最大应力工况为：AW3+车钩座1500kN纵向压缩工况，在该工况门角外侧安全系数为1.34，没有超过材料的许用应力。

因此，快速货运动车组车体结构的模态和静强度均满足标准要求。