新型高寒动车组车体强度分析及结构优化

牛小伟，宋慧娟

（郑州铁路职业技术学院机车车辆学院，河南郑州450052）

新型高寒动车组车体强度分析及结构优化

牛小伟，宋慧娟

（郑州铁路职业技术学院机车车辆学院，河南郑州450052）

高寒地区恶劣的自然环境对线路上运行的动车组提出了严峻的挑战，普通动车组在设计时并未考虑极端气候条件下运行的情形，难以保障运行安全，所以必须研制适应高寒地区恶劣气候的新型高寒动车组。本文以新型时速250公里高寒动车组为研究对象，以强度分析和结构优化为研究目的，在动车组三维模型的基础上利用Hypermesh建立有限元模型，并根据设计条件施加约束和载荷，使用ANSYS进行强度分析，并对应力集中位置进行结构优化，改善结构受力状况，为高寒动车组的研制提供参考。

高寒动车组；强度分析；结构优化

引言

随着高速铁路通车里程的不断增加，高速动车组以其方便、快捷的特点，逐步成为了人们出行的重要选择。我国幅员辽阔，气候类型复杂多样，且由于地形崎岖，境内不但有温暖舒适的中温带、暖温带，还有气候恶劣的高寒区。普通动车组由于设计之初并未考虑高寒地区极端恶劣的环境条件，因此无法保证在这些地区安全可靠地运行。随着高速铁路网络不断延伸，穿越高寒地区的线路先继开工建设，研制适应高寒地区极端气候的新型动车组成为必然选择。为了使动车组适应寒冷、多风雪的运行环境，动车组车体结构必须进行相应改进。例如，动车组的设备舱应进行封闭设计以防风雪侵入引起故障。空调系统也应进行高寒设计以适应低温环境。由于列车从冰冻环境瞬时进入湿热环境时，会产生冷凝水，可能导致电气原件发生短路或损坏，所以车体应采用密封和导流设计。为保证保温性能车体还需设置保温层，铺设保温材料，并对车体上的冷桥结构进行改进。这些高寒环境的独特要求，使得高寒动车组的车体结构不同于普通动车组，而是具有许多独有的特征，所以对新型高寒动车组车体结构进行强度分析和结构优化是非常必要的。

1 车体主要设计参数

新型时速250公里高寒动车组车体设计质量见表1，车体悬挂设备的质量见表2，车体所用材料性能参数见表3。表中质量单位为t，应力单位为MPa。

表1 车体的设计质量

表2 车体悬挂设备的质量

表3 车体所用材料的性能参数

2 车体有限元模型

本文采用有限元分析软件Hypermesh对时速250公里高寒动车组进行有限元建模，并根据设计条件施加约束和载荷，再通过分析软件ANSYS对高寒动车组车体结构进行结构分析，根据分析结果查找车体结构薄弱点，并进行结构优化，对优化后的模型再次进行有限元分析，并检验优化结果[1]。本文所用软件Hypermesh和ANSYS均为主流的结构分析软件，他们各有特点，Hypermesh更擅长有限元建模，ANSYS更擅长分析计算，他们可以用于求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。并且能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如：Pro/Engineer、NASTRAN、I-DEAS等，是现代产品设计中的必不可少的高级CAE工具之一。

建立时速250公里高寒动车组车体有限元模型时，凡是对该车整体及局部强度有贡献的结构，都予以考虑。为了计算的准确性，模型构成以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅[2]。车体有限元模型中单元总数为2340056，结点总数为2070213，图1给出了车体的有限元模型（模型重9.7t）。

图1 新型250公里高寒动车组车体有限元模型

3 车体强度分析

3.1 评定标准

依照设计标准，在所有载荷工况作用下，车体各部件的Von.Mises应力均不得大于部件所用材料的许用应力，部件材料的许用应力见表3。

3.2 载荷工况及位移约束条件

依照设计标准，本文共检验6种载荷工况下车体的结构强度，各载荷工况和位移约束描述如表4和图2所示。

表4 车体强度计算的主要工况载荷单位：KN

图2 各工况的边界条件

3.3 结果分析

各载荷工况作用下，车体的Von.Mises应力最大位置如图3所示（图中应力单位MPa），车体强度计算结果详见表5。

图3 各工况作用下车体应力最大位置

表5 高寒动车组车体的计算结果汇总应力单位：MPa

由表可知：高寒动车组车体各处的应力值均小于该处材料的许用应力值，说明该设计满足高寒动车组的结构强度要求[3]。但车体局部存在多处应力集中现象，如能对这些位置进行局部优化，可有效降低应力集中，改善结构受力状况[4]。

4 车体结构的局部优化方案

针对图3各载荷工况下应力集中位置进行了结构优化[5]，优化结果如图4所示：

图4 车体结构的局部优化

5 优化后的分析结果

对优化后的车体结构再次进行强度分析，在各载荷工况作用下车体各处的应力分布及应力最大位置如图5所示，优化前后车体强度对比分析结果详见表6。

图5 优化后各工况作用下车体应力最大位置

表6 优化前后车体强度对比分析结果应力单位：MPa

根据对比结果可知，经过局部结构优化后，各工况作用下应力集中位置仍不变，但最大应力值有明显下降，有效改善了应力集中状况[6]，使高寒动车组车体结构更加合理，可为车体结构改进提供依据，达到了优化目的。

结论

新型时速250公里高寒动车组，在各载荷工况作用下车体各处的应力值均小于材料的许用应力值，该型设计满足高寒动车组的结构强度要求。但车体仍存在多处应力集中区域，这些局部应力集中会严重影响高寒动车组整体的强度质量，经过对局部应力集中区域进行结构优化，并重新分析计算。对比分析结果表明，优化后，各工况作用下应力集中位置不变，但应力集中现象有显著降低，说明只需对局部应力集中位置进行局部优化，便可有效降低应力集中现象，改善结构受力，使高寒动车组车体结构更加合理，为车体结构改进提供依据，达到了优化目的。

[1]王爱彬.高速动车组拖车车体结构强度分析及优化设计[D].北京:北京交通大学,2010.

[2]刘锡顺,王大奎,金晓琼.地铁车辆Mp车车体刚度及静强度分析[J].大连交通大学学报,2013,34(2):10-14.

[3]赵士忠,田爱琴,赵国忠,等.新一代高速动车组中间车车体的强度及自振频率[J].大连交通大学学报,2012,33(4):12-15.[4]羊玢,孙庆鸿,朱壮瑞,等.地铁B型车车体静强度及模态计算[J].交通运输工程学报,2006,6(2):1-5.

[5]马梦林,付德龙,梁云.出口伊朗地铁车辆牵引梁结构优化分析[J].铁道车辆,2013,51(1):10-13.

[6]张军,段丽芳,李向伟.基于有限元分析的铁路货车车体优化设计[J].大连交通大学学报,2011,32(2):1-4.

Strength Analysis and Structure Optimization of Car Body of the New High-cold EMU

NIU Xiao-wei,SONG Hui-juan
(Rolling Stock Department,Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou 450052,Henan)

The harsh natural environment in these high-cold regions presents severe challenges to the EMU on the line,but the ordinary design of EMU does not consider running under the extreme climatic conditions,which make it difficult to run safely.Therefore,it is necessary to develop a new EMU which can adapt to the harsh climate in the high-cold regions.In this paper,a new EMU with speed of 250 km is taken as the object of study,and strength analysis and structural optimization are taken as the research purposes.Based on the three-dimensional model of the EMU,a finite element model is built by using Hypermesh,then according to the design conditions,the constraints and the loads are applied and the strength analysis is carried out by using ANSYS.The structure of the stress concentration location is optimized to improve the structure stress condition,which provides reference for the development of the high-cold EMU.

the high-cold EMU;strength analysis;structural optimization

U266

A

1671-5004（2017）05-0008-04

2017-07-14

牛小伟(1988-)，男，山西长治人，郑州铁路职业技术学院机车车辆学院助教，研究方向：有限元仿真。