高速列车车体结构强度及动态频率响应分析.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O MA T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413(2 0 2 3)0 5-0 0 90-0 3高速列车车体结构强度及动态频率响应分析宁伟，陈贝（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛2 6 6 111)摘要：铝合金车体因其加工性能好、密度小等优点被广泛用于轨道交通车体制造，为了保证车体在服役期间的结构安全性，在设计阶段进行整车结构强度和动态性能研究就显得至关重要。根据EN一12 6 6 3 铁路车辆车身结构要求等标准对铝合金高速列车车体进行静强度、模态和频率响应分析。结果显示该高速列车车体结构强度性能指标满足许用要求，频率响应变化范围主要集中在7 Hz15H z 之间，车体一阶垂弯频率大于10 Hz，符合车体振动模态设计标准。关键词：铝合金车体；结构强度分析；动态频率响应分析；高速列车中图分类号：TP391.7：U 2 6 0.3 2文献标识码：A0引言铝合金高速列车车体整体采用筒形承载结构，具有良好的强度和刚度，车体主体部分使用铝合金材料进行设计，其密度只有钢的1/3，不仅实现了轻量化，而且防腐蚀防氧化的性能有了很大的提高。同时铝合金车体制造过程中多是长焊缝，能够大范围采用自动焊接工艺，可以大大提高生产效率。鉴于以上优点，铝合金车体被广泛用于国内外城市轨道交通行业。为了保证车体在服役期间的结构安全性，需要工程师在设计阶段对车体进行结构强度和动态性能分析。1铝合金高速列车车体有限元模型建立1.1车体主要参数高速列车车体的主要技术参数为：车体长度19775mm，车体最大宽度2 7 94mm，车体最大高度3842mm，车辆定距157 0 0 mm，车体整备质量13.5t，定员118 人。高速列车车体的主要材料为6 0 0 0 系铝合金，该类型铝合金挤压性能好、强度高，其弹性模量为6 9GPa，泊松比为0.3，屈服强度为2 55MPa2。1.2车体有限元模型建立本文研究中适当简化了对车体仿真分析影响很小的特征，有限元网格大小为2 5mm。车体上空调、转向架等车辆设备使用Mass21单元进行模拟，离散后的车体有限元模型如图1所示，单元数为12 7 6 6 18个，节点数为8 0 7 6 6 4个。该车体模型经过检查和修正后，1D单元没有自由端、未形成刚性环且未重复建立；2D单元及3 D单元均满足翘曲度不大于1、长细比不大于2 0、雅各比不大于0.41的条件。2铝合金高速列车车体模态分析EN12663铁路车辆车身的结构要求3 规定，车体整备质量下的车体发生一阶垂向弯曲振动时，其固有频率要高于10 Hz。本文考虑到车体设备的存在会对整车模态分析造成误差影响，故使用等效刚度的梁单元来代替Mass单元模拟车体设备，这样可以最大限度地避免出现局部刚度单元过多的情况，从而减小铝合金车体模态计算误差幻。铝合金车体的前12 阶模态如表1所示，其中前6 阶刚体位移模态频率为0，不予考虑；限于篇幅只列出第8 阶模态下的位移变形，如图2 所示。图1铝合金高速列车车体有限元模型从表1和图2 中可看出：当车体处于第8 阶模态时，其固有频率为11.56 Hz，达到了设计标准的要求，不会发生共振现象；此时该车体的薄弱位置主要为车体中间部位底板边梁处，最大位移为0.43 mm，在设计时应注意加强此处的结构强度。表1铝合金车体模态分析结果序号阶数1062738495106117123车车体静强度分析频率(Hz)09.2411.5612.6713.8514.7216.05振型几乎不变车体菱形车体一阶垂弯车体扭转车体二阶垂弯车体横向车体三阶垂弯收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 9；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 1作者简介：宁伟（1997-），男，山西晋中人，助理工程师，硕士，主要从事车辆结构分析及设计等方面的工作。2023年第5期本文利用第四强度理论作为车体结构强度校核的依据，将车体对应最大vonMises应力值与对应材料的屈服极限进行比较，通过比较von Mises应力是否小于母材的屈服极限来判断车体是否发生静强度失效5，其中vonMises应力计算公式为：(oi-2)+(o2-0s)”+(os-01).(1)其中：0,为分析结构的强度;0 1、0 2 0 3 为结构、和方向的应力大小。Contour plotDisplacement(mag)Analysis system4.266E-013.792E-013.318E-012.844E-012.370E-011.896E-011.422E-019.479E-024.739E-02No Result12.975E-12Max=4.266E-01Node_42199Min=2.975E-12Node3535852图2 铝合金车体垂向一阶弯曲变形模态振型本文研究了铝合金车体的5种静强度工况，每种工况对应的施加载荷与位移约束如表2 所示，其中AWo为整备状态下车体质量13.5t，A W3 为超员状态下车体质量16.5t。表2 铝合金车体静强度分析的5种工况工况名称1超员状态车钩处拉伸横向载荷10 0 0 kN工况压缩+AW3整备状态下上边梁处横向载荷3 0 0 kN压2缩+AWO压缩工况整备状态下腰台处压横向载荷3 0 0 kN压3缩工况整备状态下底架上方4150mm处压缩工况51.3倍超员工况经过有限元仿真计算出5种静强度分析工况下的最大应力，工况3 下的应力云图如图3 所示，各工况车体静强度计算结果如表3 所示。通过表3 与图3 结果显示：所有工况下von-Mises应力最大值发生在第3 工况，数值为191MPa，小于许用应力值2 55MPa；安全系数为1.3 4，符合设计标准下的车体结构静强度要求。4车体动态频率响应分析4.1频响分析理论直接法频率响应分析的原理是计算结构模型的阻尼耦合公式，从而运算出不同频率与外部激励之间的关系。在频域中主要解两部分：第一部分是外部激励为周期性的正弦载荷，求解结构的频率响应函数曲线；第二部分是外部激励为随机态的载荷，求解结构的频率响应函数曲线的。一般频率响应分析方程为：mc+cc+ka=Ficosot其中：F1为结构承受的外部载荷矩阵；m为质量矩阵；c为阻尼矩阵；k为刚度矩阵；为加速度量值；为速度量值；为位移量值；w为系统频率；t为时间变量。在对含有阻尼的结构进行分析时，其自由振动的分析公式表达如下：+2e+w m=0.宁伟，等：高速列车车体结构强度及动态频率响应分析其相位表达式如下：=arctan1(-)2Wm因此，便可得到频率响应的结果为：=i+2=Ae-ot cos(wmt-)+Xcos(wt-Q).(8)Contour,plot.Stress(vonMises,Max,CornerData)Globai SysyemAdvancodAverage1.917E+021.704E+021.491E+021.278E+021.065E+028.520E+016.390E+014.260E+012.130E+0110.000E+00NoresultMax=1.917E-02载荷约束一侧空气弹簧施加垂向和横向位移约束，另一侧空气弹簧缩+AWO施加垂向位横向载荷3 0 0 kN压移约束，车缩+AWO钩座施加纵向位移约束垂向载荷1.3 AW391其中：e 为阻尼特性系数;m为系统m阶频率。对式(3)进行求解,其结果为：i=Ae-dat cos(wmt-):其中：A为位移幅值；为角度；为系统相位。若分析结构，稳态响应的解表达如下：2=Xcos(wt一).便可求解出：AX=WmNode_104220Min=0.000E+00Node8842ntourplotressVonMises,Max,CornerData)byerageem4220Min-0.000E-00Node8工况1一位端右侧车门右下角处2前端墙面右上角加载处3一位端右侧车门角连接处4前端墙面左下角加载处5二位端加强板右侧连接处4.2频响分析设计在频响分析时需要对车体激励位置加载单位载(2)荷，在车体位端空气弹簧位置的三个方向即纵向、横向和垂向分别施加9 8 0 0 mm/s的单位加速度载荷，进行车体的频率响应分析。设置分析参数如下：频率范围为0 3 0 Hz，频响计算步长为0.5Hz,即每个节点的频响结果在频率范围内共有6 0 个长度，车体结构阻尼为0.0 2。(3)4.3频响分析验证点的选择(4)(5)(6)mWm（a）整体应力云图（b）最大点应力云图图3 工况3 下的应力云图表3 各工况车体静强度计算结果应力值许用应力值安全最大应力值位置(MPa)99.5164191158155(7)(MPa)系数2552.562551.552551.342551.612551.6592当物体的自身频率与外界载荷的频率发生重叠时，物体本身系统会发生共振，因此，需要找到物体结构的振动响应过大位置。本文的频率响应分析选择车体应力集中处进行研究，车体的验证位置如图4所示。如图4所示，本文所研究车体的验证位置共有8处，在车门和车窗四角处车体结构受力集中。由于篇幅所限，本文选择了列车车体各验证位置的一个节点作为图像输出。列车车体在单位加速度作用下，其纵1210466324BdW/4T8642051015202530频率/Hz(a）纵向由上述分析结果可以看出：对于不同方向的分析验证点，频率响应幅值不同，但是在同一工况下本车验证点的结构响应应力的图像走势大致是相同的；三个方向中车体结构主要在7.5Hz、12 H z、15H z、2 3 H z和2 7 Hz处的响应激励较大，响应变化范围主要集中在7 Hz15H z 之内。在该频率范围内车体结构节点的响应趋势为：首先其从低响应数值逐渐升高到上述频率点处响应最大值，之后随着频率的增加其响应值逐渐降低至平缓，直至下一最大响应幅值处的频率时，响应数值再次升高至高点处，之后随着频率值的增加其响应数值再次下降至平缓处。同时也说明需要对车体在7.5Hz、12 H z、15H z、2 3 H z 和2 7 Hz处的频率数值加以注意。结合车体模态分析的结果可知，车体模态对应的频率数值与本节所分析的频率响应较大处频率数值相近，均主要集中在7 Hz15H z 之内，这更进一步说明本文有限元模型的准确性。同时，也说明在此低频范围内会对高速列车车体结构造成疲劳损伤，设计人员须对其重点关注。5结论本文按照标准及技术规范，利用有限元仿真分析方法，对铝合金车体结构强度和动态性能进行了分析研究，得出如下结论：（1）通过建立某列车车体的有限元模型，同时依据EN12663一2 0 10 的设计标准，对车体结构进行5种工况的静强度分析。结果显示：各工况下的车体结构最大应力值出现在第3 工况，其应力值为191MPa，小于车体材料的许用应力2 55MPa，安全系数为1.3 4，车Structural Strength and Dynamic Frequency ResponseAnalysis of High-Speed Train Body(CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao 266111,China)Abstract:Aluminum alloy car body is widely used in the manufacturing of rail transit car body due to its good processing performanceand low density.,In order to ensure the structural safety of the car body during service,it is very important to carry out the researchon the structural strength and dynamic performance of the whole vehicle at the design stage.According to EN-i2663 StructuralRequirements for Railway Vehicle Bodies and other standards,the static strength analysis and modal and frequency responseanalysis of aluminum alloy high-speed train body are carried out.The results show that the structural strength performance index ofthe high-speed train body meets the allowable requirements,the frequency response range is mainly between 7Hz and 15Hz,and thefirst vertical bending frequency of the body is greater than 1oHz,which conforms to the design standard of the body vibration mode.Keywords:aluminum alloy body;structural strength analysis;dynamic frequency response analysis;high-speed train机械工程与自动化向、横向和垂向的频响分析结果如图5所示。验证位置2验证位置4验证位置6 验证位置8验证位置1验证位置3图4车体验证位置87807466324/59716265660356011353013005157385434461353329221051015202530频率/Hz(b）横向图5、车体上各节点的频率响应函数曲线体结构符合静强度设计要求。（2）通过质量集中点的形式将其等效施加在车体相应位置，模拟车体整备状态，对车体结构进行模态分析。结果显示：当车体结构模态处于一阶垂弯时，其对应频率为11.56 Hz，满足国家标准一阶垂弯频率大于10Hz的要求，符合车体模态设计标准。（3）对车体结构空气弹簧处分别施加三个方向即纵向、横向和垂向的9 8 0 0 mm/s单位加速度，对车体做直接法的频率响应分析。频响函数的过大频率主要集中在低频7 Hz15H z 范围内，频率响应过大处与车体模态分析的频率数值相近，进一步说明本车体有限元模型的准确性。参考文献：1刘亚丕，牛振标，周焊峰，等.现代铝合金材料：结构、性能、特点和应用J.磁性材料及器件，2 0 16，47（1)：7 2-77,80.2许娇，田爱琴，张文彬，等.全自动驾驶高速列车铝合金车体静强度和模态分析J.大连交通大学学报，2 0 17，3 8(2):34-36.3欧洲标准学会.EN12663-2010铁路设施、铁路车辆车身的结构要求S.s.1.：英国标准出版社，2 0 10:2 2-2 3.4杜鹏成，张蕾，吴磊，等.铝合金新型车体强度分析J.内燃机与配件，2 0 2 0（2）：51-52.5姚宾.基于有限元的客车车身结构的振动与疲劳可靠性分析D.西安：长安大学，2 0 15：56-6 1.6任尊松，刘志明.高速动车组振动传递及频率分布规律J.机械工程学报，2 0 13,49(16)：1-7.7孙长年，周秀文，高永涛.动车组制动控制单元吊架基于NCODE的随机疲劳寿命评估J.机械工程师，2 0 19(11):137-139.NING Wei,CHEN Bei2023年第5期验证位置5验证位置759716260515738Bd/45660354601135533292301300434 4615332924059716260113543446120051015202530频率/Hz(c）垂向515738466324301300566035