某型号时速250 km的不锈钢点焊车体钢结构强度分析

苍 松

（辽宁轨道交通职业学院，沈阳 110023）

车辆在高速运行时，气动载荷对车体强度有很大影响，特别是在通过隧道、高速会车及受到强侧风影响时，车体将承受相当大的气动载荷，这就对高速列车的车体强度提出了更高的要求。本文研究的250 km/h高速铁路客车车体采用不锈钢点焊结构。不锈钢具有耐腐蚀、外形美观、使用寿命长、重量轻、强度高、维护费用低等优点，国内外大部分高速铁路客车及地铁车辆均采用不锈钢作为车体材料。本文参照EN12663标准对该型铁路客车头车车体钢结构进行了强度和刚度的有限元分析，以确定该车体是否满足要求。

1 客车车体结构特征

不锈钢具有高电阻率、低热导率，大膨胀系数等特征，在高温焊接时，其散热慢而变形大，因此在组焊过程中不宜使用电弧焊而采用点焊。点焊的车体是点传力结构，当车体承受外部载荷后，载荷通过焊点将力传递到车体其它部位，产生车体各个部位的应力形变。不锈钢点焊客车车体承载结构主要由底架、侧墙、端墙、车顶等钢结构大部件焊接而成。车体钢结构采用高强度不锈钢材料，强度高，塑性好，硬度适中。车体基本重量参数如表1和表2所示。

2 评定标准

表1 车体基本重量

表2 车体结构材料参数

（1）根据标准GB/T 7928-2003，轨道车辆在最大垂直静载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1‰。该车辆定距为19 000 mm，因此，车体最大挠度不能超过19 mm。

（2）车体静强度有限元分析评定标准和安全系数的选取均依据EN12663。车体在各计算工况作用下的应力均不得大于车体该部位所用材料的许用应力。

3 车体几何模型及有限元模型

3.1 车体几何模型建立

几何模型的建立是根据实际车体等比例建模，主体结构及型材的断面尺寸都与实际车体一致。对部分不影响有限元分析结果的结构单元进行了删减，以简化建模工作量。主要建立与车体型材中面线框相对应的、后续有限元分析真正需要的车体几何模型。本次分析使用HYPERMESH建立对应的车体三维模型及后续的划分单元网格。

3.2 车体有限元模型建立

综合分析不锈钢点焊车结构“点传力”特点、焊点数量以及软件的可执行性，车体钢结构有限元模型以任意4节点等参壳体单元为主，3节点三角型单元为辅整车结构的有限元模型中包含：节点877 455个、实体单元32 190个，壳体单元726 476个，焊点单元53 399个，质量单元38 626个；定义仿真参数设定仿真工况；利用ANSYS求解器进行有限元分析，车体有限元模型如图1所示。

4 载荷工况和位移约束

参考EN12663，结合该不锈钢点焊车车体强度计算特点，制定出车体静强度计算工况如表3所示。

部分载荷处理如下：整备车体自重以重力加速度的形式施加；压缩力以一对方向相反的集中载荷形式分别施加在前后车钩重心位置；乘客荷载均匀施加到地板上。

图1 车体有限元模型图

表3 车体载荷工况

5 静强度结果分析

对该车钢结构进行计算，得到结果如下：在最大垂直静载荷作用下，该车车体的最大挠度为14.253 mm，发生在地板中央处，车体底架边梁和车体垂向位移云图如图2所示。部分工况最大位移和最大应力如表4所示。

图2 最大垂直静载荷下的垂向位移云图

（1）整备状态下车钩高度1 500 kN压缩力情况下的结果云图如图3所示。

（2）最大载荷下车钩高度1 500 kN压缩力情况下的结果云图如图4所示。

6 结束语

计算过程中对该种不锈钢点焊结构车体进行了结构强度和刚度的分析计算，分别计算了各种工况下车体最大应力所在部位和所对应的最大应力值，对比最大应力处所使用材料的屈服强度，计算出了静力安全系数，并最终提出优化方案。优化方案的计算结果表明：各工况静强度满足要求；在最大垂直静载荷作用下，该车车体的最大挠度为15.217 mm，小于19 mm，满足要求；结构一阶垂向弯曲振型频率14.031 Hz；整备状态下的一阶垂向弯曲振型频率9.426 Hz，满足车辆的使用要求。

表4 部分工况最大位移和最大应力

图3 整备状态下车钩高度1 500 kN压缩力情况下的结果云图

图4 最大载荷下车钩高度1 500 kN压缩力情况下的结果云图

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