高速动车组车体承载部件精细计算方法研究

谢素明,卢小龙,王成强



高速动车组车体承载部件精细计算方法研究

谢素明1,卢小龙1,王成强2

(1.大连交通大学 交通运输学院，辽宁 大连 116028；2.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130062)

研究高速动车组车体主要承载部件结构与传力特点，基于传统子模型方法，提出一种高效进行结构强度分析的快速子模型方法.建立某自主研发的高速动车组车体强度分析的整车一级薄壳单元模型和关键部件的二级实体子模型；在EN12663-2010标准中载荷工况的作用下，采用传统子模型方法与快速子模型法分别对高速动车组车体进行静强度分析，两者计算结果误差小于5%，并与试验结果具有很好的一致性.

动车组车体；FEM；子模型

0 引言

根据世界铁路发展经验，客运高速已经成为我国铁路运输的主要发展方向.高速动车组铝合金车体采用铝合金焊接结构[1]，车顶、侧墙、地板等大部件由中空挤压型材通过自动连续焊接互相连接，端墙、牵引梁端部等中小部件采用板梁结构.

根据欧洲标准EN12663-2010，车体主要承受垂向和纵向载荷，垂向载荷主要包括车辆自身重量和乘客重量，纵向载荷主要包括车体端部压缩力和车钩座区域的拉伸和压缩力[2].

车体承受端部压缩载荷时，端墙与底架之间的连接结构为强度薄弱部位，如图1所示.在实际设计中需要增加铝块结构进行针对性补强.通常，补强的铝块结构厚度与其联接的铝型材壁厚相差高达30 mm；车体车钩座承受纵向拉伸和压缩载荷时，通过与车钩相连的关键部件牵引梁结构将列车牵引制动的纵向力传递至车身.牵引梁端部的挤压板材与车体底架型材焊接在一起，板材边缘厚度沿纵向渐变，厚度差达15 mm(参见图1).

采用薄壳单元模拟上述部件时，可以获得较为准确的部件传力特点，但不能获得部件局部结构应力的变化梯度，尤其是位于应力集中区域的传力部件，计算结果误差大，有时甚至是错误的.例如：整备状态车体在车钩座拉伸与压缩工况作用下，与底架型材联接的牵引梁板材端部的边缘部位出现应力集中现象，这与实际情况不符.

图1 某动车组车体部件结构示意图

针对动车组车体强度分析中出现的上述问题，在研究传统子模型分析方法[3]的基础上，提出快速子模型方法；将某动车组车体牵引梁端部区域作为子模型区域，通过与实验数据的对比分析，研究两种子模型方法的计算精度.

1 快速子模型法

采用传统子模型法对动车组车体关键部件强度分析时，首先需要先对车体关键部件进行精细建模，同时需要调用整体模型的计算结果；并将整车计算结果中子模型边界节点上的位移提取出来，再将这些节点位移作为位移约束条件连同子模型一起导入计算分析软件ANSYS中，重新计算得到子模型区域的精确结果.如何在整体模型计算结果中提取子模型边界节点上的位移(形成ZMX.cbdo文件)是传统子模型法的难点.图2给出了利用传统子模型法进行动车组车体强度有限元分析的计算流程.

传统子模型法能够很精确的计算出车体关键部件应力，但当针对车体子模型区域的关键部件进行多个结构方案优选时，需要多次重复“提取子模型边界节点上的位移”流程，这样做显然增大了仿真工作的工作量.

快速子模型法将提取出来的子模型边界节点位移作为边界节点位移约束导入到有限元模型中，与当前工况重新组合，生成一个计算工况齐全、完全独立的子模型计算模型.快速子模型方法提取子模型边界位移文件的过程与传统子模型法中的过程相同.新生成的子模型是一个计算位移边界与计算载荷边界全部完整的独立计算模型，在后续针对关键部件结构的优化改进过程中，不再需要整体模型的计算结果，不用多次提取子模型边界位移文件，直接更新子模型结构即可完成精细计算，工作效率大幅度提高.由于结构修改及计算都是在子模型中进行的，因此，最终确定的结构方案还需映射到一级车体模型上进行验证.

综上所述，快速子模型法不仅具有传统子模型的优点，还具有计算步骤简便，计算效率高等优点.

图2 基于传统子模型法的车体强度分析流程

2 工程实例

根据对多种车型动车组车体强度的数值分析与实验验证，车体强度设计最为关注的载荷工况是车钩座压缩与拉伸载荷工况[5].在车钩座拉伸与压缩工况作用下，采用薄壳单元分析某自主研发的动车组车体牵引梁板材与底架型材连接部位的计算结果如图3所示.由图3可以看出：牵引梁板材边缘部位出现了应力集中，实际上应力集中应该发生在底架型材上.因此，在这一区域应该利用子模型方法建立二级实体模型.

图3 整备状态车体车钩座工况的计算结果

动车组车体一级有限元模型如图4所示.车体一级模型中的单元类型为：shell 181、mass 21、rigid、rbe 3、solid 185.车体部件结构主要离散为四节点薄壳单元shell1 81；吊挂设备质量以及乘客质量采用质量单元mass 21来模拟；铸铝件离散为solid 185单元；rigid用于模拟部件连接关系；车体一级有限元模型的单元总数为2 238 710；节点总数为2 069 272.部分底架型材和牵引梁板材连接部位的二级实体子模型的单元总数为430420；节点总数为380 922.

图4 车体一级和二级有限元模型

动车组车体强度试验时，选取了牵引梁板材端部与底架型材连接位置进行贴片，E 24、E 25、E 26、E 27.车钩座压缩与拉伸载荷工况作用下，传统子模型法和快速子模型法的计算结果，以及与测试值[6]的对比如图5～图9所示.

图5 子模型区域强度实验的贴片位置

图6 压缩工况的计算结果

图7 压缩工况分析结果与测试值的对比

图8 拉伸工况的计算结果

图9 拉伸工况分析结果与测试值的对比

从图6和图8可以看出，两种子模型分析方法的计算结果基本一致，相差在5%之内.从图7和图9可以看出，压缩工况的快速子模型法的计算结果与实测值较为接近；拉伸工况的传统子模型法的计算结果与实测值更为接近.

3 结论

与传统子模型法不同，当子模型中的结构改进设计时，快速子模型法的切边界结点位移只需要在一级整体模型计算结果中提取一次，可多次独立分析二级子模型，从而使车体方案设计阶段的工作效率大幅提高.但是，在最终修改方案确定之后，还需将结构改进部位映射到车体一级模型上进行验证.

分析高速动车组车体静强度时，对于车体主要承载部件，如：牵引梁、车钩座以及端墙与底架连接(部件厚度梯度变化较大)等部位，仅用薄壳单元创建模型的计算结果与实际情况出入较大.必须对这些部位建立二级实体子模型.

[1]郑文波，刘东军，田新莉. 铝合金型材在CRH3型动车组车体中的应用[J]. 金属加工，2011，23：19-22.

[2]英国标准学会.BS EN 12663-1:2010 铁路车辆车体的结构要求(第一部分：机车和客运车辆)[S].英国:[s.n.] ,2010.

[3]周宇．基于子模型的铁路车辆结构强度精细计算[D]．大连：大连交通大学，2008.

[4]英国标准学会.BS EN1999-1-1: 2007 Eurocode 9: Design of aluminium structures-Part 1-1: General structural rules[S]．英国:[s.n.],2007.

[5]谢素明, 王思阳, 高阳. 高速动车组铝合金车体性能的深入研究[J]. 大连交通大学学报, 2014，35(6)：14-18.

[6]标准化动车组车体静强度试验报告[R]. 青岛四方车辆研究所，2015.

Research on Refined Numerical Calculation Method of EMU Car Body Load-Carrying Component

XIE Suming1， LU Xiaolong1，WANG Chengqiang2

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China；2. Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun 130062, China)

An efficient numerical calculation method is proposed based on traditional sub-modeling method after studying structural and load-carrying feature of high-speed EMU car body. For a self-developed high-speed EMU car body, the first level FEM with shell elements and the second level FEM with solid elements are established respectively. According to EN12663-2010 standard, the results of the two sub-modeling methods are compared. It is shown that their maximum difference is within 5%, and they are coincident with the test results generally.

EMU; FEM; sub-model

1673- 9590(2016)02- 0010- 04

2015-03-18

中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2014J004-N)

谢素明(1965-)，女，教授，博士，从事车辆工程CAE关键技术的研究E- mail:sumingxie@163.com.

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