一种新型铁路客车车体静强度分析

贾志言+王智群+李志申

摘要 ： 分析该种新型铁路客车车辆车体结构特点的基础上，建立了车体结构的有限元模型。结合该客车车辆的实际运行状态，确定了垂向载荷、纵向拉伸、纵向压缩、扭转等7种工况，并分析了车体结构在各个工况下产生的应力，以判断其静强度是否满足运输要求。为车体的结构优化和疲劳寿命分析提供参考。

关键词： 新型铁路客车车辆；车体结构；静强度；有限元模型

1 前言

该种新型铁路客车车辆主要由车体、转向架和各种电气设备组成。其中，车体主要承担装载乘客和各种电气设备安装基础两大功能，同时也承受着在各种运行工况下乘客和电气设备所产生的附加力。车体的强度是反映车体性能的重要技术指標，强度不够，将使车体结构的各构件在早期出现裂纹和疲劳断裂等，从而大大影响车辆的整体性能。对车体静态下的强度进行计算和分析，是不可或缺的重要环节。本文利用有限元分析软件，针对该种车辆的典型运行工况，提出了相应载荷及边界约束条件施加的实现方法，并对跨坐式单轨车辆头车车体结构进行了静强度分析，得到了该车体的应力分布。通过合理选择车体结构形式及尺寸参数，可使车体具备良好的静态特性。

2 车体结构及参数

该种车辆车体主要由车顶、侧墙、一位端墙、二位端墙、底架等组成，如图1所示。整个车体采用耐候钢焊接结构，主要的承载部件采用耐候钢中屈服强度较高的钢板材质。车顶和侧墙主要采用大型宽幅耐候钢板和骨架梁排结构，侧墙在适当的地方加补强梁，车顶则用加横向弯梁的方法起到加强的作用。一、二位端墙由于要承受纵向拉伸和压缩，采用双层骨架结构。具体车体钢结构外观见图1所示

车顶、侧墙、一位端墙、二位端墙、底架等四大部件相互连接后整车成中空筒行结构，具体车体的主要外形尺寸及质量如表1所示。

3 车体有限元模型的建立

3.1 建立有限元模型

利用建立好的跨坐式单轨车辆头车车体三维几何模型，以及软件提供的数据转换接口，以适当的数据格式将其转换到有限元分析软件中，并对其结构进行离散。采用该方法进行有限元建模时，有必要在有限元分析软件中对模型进行几何清理，修正几何之间的拓扑关系，以便进一步划分网格。整个车体主要采用板壳单元模拟，侧门上角及端门补强角采用实体网格，空簧、心盘、枕内外顶车位、端墙加载区域等处设rbe3单元，车钩安装区域设置rigid单元，如图2～3所示。车体坐标系方向如图2所示：X向——车体纵向，正方向由一位端指向二位端，Y向——垂直方向，正方向垂直向上，Z向——车体横向，与X、Y构成右手系。有限元模型如图2所示。

3.2 确定工况及加载参数

根据该种客车车辆的实际运行状态，确定了垂向载荷、纵向拉伸、纵向压缩、扭转等9种工况，无论何种工况，车体都将承受安装在其上的各种设备的质量。车体配备的主要设备的质量见表2。7种工况具体见表3

4 静强度计算结果

按照上述各个工况下载荷和边界条件的施加情况，对车体结构进行静强度分析计算。车体在15种工况作用下的最大应力值及相应的部位见表4所示。部分应力云图如图4～8所示

5 结语

5.1 该种筒型车体有着本身的结构特点，焊接是车体的主要连接方式，使用板壳单元模拟车体结构的有限元处理方法是车体静强度分析的有效方法；

5.2 通过对该种新型车辆车体的静强度计算分析，可得出以下结论：强度各工况下，端墙立柱，波纹地板与横梁连接处等区域存在较高计算应力，可适当进行补强。

参考文献：

[1] UIC 566-1990《客车车体及其部件的载荷》[S]

[2]杨明，杨燕荣.TR08磁悬浮列车车体结构静强度计算及结构优化[J].机车车辆工艺，2004（8）：4.

[3]龚明，丁叁叁.城市轨道车辆不锈钢车体结构优化探索[J].铁道车辆.2009（7）：16.