车体材料结构及模态研究

摘要：车体作为轨道车辆的重要部件之一，不仅要满足轨道车辆轻量化、智能化的要求，承受各种静动载荷，适应最大运行速度，在列车事故状态下尽可能保证乘客安全，还要保证轨道车辆各系统部件振动的协调性，满足轨道列车舒适性、平稳性要求。模态是结构系统的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，整车模态的匹配性直接反映出车辆的稳定性和舒适性，本文通过对不锈钢城铁车的车体结构及模态分析，对车体的设计提出建设性意见。

关键词：车体;材料;模态

1 车体结构及模态研究的必要性

近年来，我国各大主要城市的轨道交通建设如火如荼，对地铁及轻轨列车的需要越来越旺盛，列车速度也由原来的60-80km/h提高到100km/h。随着列车速度的不断提高，线路固有频率范围加宽，而车辆自重不断减轻，其固有频率降低，这样就导致车体的低阶弹性振型有可能处于线路的激扰范围之内，从而使车体产生较大的振动。这样带来的危害：一是车体某些部位产生较大的变形，影响疲劳寿命;二是车体的振动会传递到车上的地板、座椅，降低乘坐的舒适度。车身结构除了必须具有足够的强度以保证其疲劳寿命、足够的静刚度以保证其装配和使用的要求外，还应有合理的动态特性以达到控制振动和噪声的目的。因此需要对其模态特性进行研究。

鉴于目前各车型车体设计在结构、模态等性能方面的被动性，必须总结规律，研究出优化结构、提高模态的有效途径。合理的车体结构设计不仅能最大程度发挥车体的承载能力，也能有效减小车体振动，进而提高乘坐舒适度和安全性。因此，需要针对车体结构对车辆模态特性的影响进行深入研究，为车体结构优化设计提供依据，最终达到提高列车运行舒适性及安全性的目的。

2 车体结构

2.1 车体结构基本要求

1）车体的设计寿命不低于30年;在30年内车体结构件无重修或加固。

2）车体设计符合EN 12663《铁路车辆车体结构要求》标准中归属P-Ⅲ（地铁和快速运输车辆）类结构要求。车体承受各种最大垂直载荷的同时，沿车钩纵向水平方向施加不小于1200kN的静压载荷，不小于960kN拉伸载荷。

3）车体的焊接满足设计要求和EN 15085标准或等同国际标准。

4）车体主体结构采用SUS301L不锈钢材料，底架前端采用碳钢材料制造。

2.2 技术参数

车辆长度（车钩连接面之间的长度）

TC车       24，400mm

Mp/M车     22，800mm

列车长度   140，000mm

车辆宽度   3，000mm

车辆高度   轨顶面至车顶之间的高度（新轮，不包括受电弓）≤3，800mm，受电弓（落弓高度）：3810--3890mm

客室内部高度（从地板面至内部车顶中心线） ≥2，120mm

从轨顶面至地板面高度（新轮、空载、空气簧充气） 1，130mm

转向架中心距   15，700mm

车钩水平中心线距轨顶面高度    720mm

2.3 主要结构

A型不锈钢车体钢结构布置如图1所示;A型不锈钢车体钢结构三维建模如图2所示。

2.4 车体材料

车体钢结构分为端墙、侧墙、车顶、底架及其他连接部件几部分，主要使用材料如表1所示。

3模态分析

采用有限元仿真计算方法，在Hypermesh软件中建立车辆有限元模型，然后导入ANSYSR软件中进行模态计算，分别对车体的铝结构模态、无吊挂设备时的整备模态、含吊挂设备（刚性联接）时的整备模态进行建模和计算，设备和车体模态匹配表计算结果如表2所示。

不锈钢车体采用超低碳（C<0.03%）的SUS301L车辆专用经济不锈钢，通过压延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT5个强度级。SUS301L的改性压延状态机械性能代号HT的屈服点在961N/mm2以上，拉伸强度在1275N/mm2以上。其纵向弹性模量（E）却只有钢的85%，这意味着不锈钢车体比同样结构的耐候钢车刚度要小。刚度下降将导致舒适性下降。

在产品开发初期，就必须考虑整车结构特征和各个系统的布置，使得振动最小。减小整车低频振动，可以从下面几个方面来考虑：

①加强结构强度。车体承载结构由型材或者由板梁结构构成。增加这些梁结构的截面积就可以增加其刚度。增加截面积可能受到空间布置的影响，在这种情况下，设计经理及主管就需要权衡车体模态及整车空间布置的重要性，合理的进行车体方案设计来达到提高刚度的目的。

②避免车下吊挂设备与车体的耦合振动。一些需要主机厂自己设计的部件，如转向架、车体承载结构、车下吊装设备、某些附属系统等，应该避开车体承载结构的第一阶垂向模态频率和第一阶扭转模态频率。为实现整车有较好的振動噪声性能，通常采用的方法是：使所设计部件的模态频率值远高于车体承载结构的一阶垂向弯曲和一阶扭转频率;将该部件布置在车体承载结构的模态节点上。

③避免转向架与弹性车体耦合振动。为避免弹性车体与构架耦合振动、降低构架振动传递所导致的车体弹性振动，悬架系统要尽可能安装在车体的模态节点上。

4结论

我国轨道车辆研发技术经过了较长的发展过程，初期的轨道车辆车体采用碳钢材质。由于碳钢车体存在耐腐蚀性差、质量大、后期维护费用高等缺陷，故碳钢材质在车体上的应用显著减少。后来，在借鉴国外先进经验的基础上，我国进行了不锈钢车体的研发，并在车体的结构设计和制造工艺等方面取得了重要突破。目前，我国轨道车辆车体广泛选用不锈钢材质。

本文仅通过对我司典型项目车体材料、结构参数的对比分析，定性提出车体结构参数会在一定程度上影响车体模态特性，后续如果条件允许，可以选取某一典型车型有针对性的更改个别车体结构参数（车体长度、车体高度、轴距、车顶、侧墙、底架等大部件型材断面结构及型材壁厚），通过三维建模及仿真计算等方法，进一步定量的验证上述参数的改变对车体模态参数的影响程度，识别出上述参数中对车体模态参数影响最有利的结构参数，并在后续车体结构动态设计过程中予以应用。

合理优化结构设计是减轻重量的有效措施，优化车体结构是在保证兼顾车体强度与刚度的基础上利用强度理论和优化设计分析程序，把车体设计成为充分利用材料强度和整体承载筒形结构。经验证明，通过优化计算设计，车体结构重量至少可以减轻10%。合理的车辆动态性能结构设计，将使车体具有良好的动态特性，不仅能避免与转向架构架自振频率接近，也能提高车体的弹性弯曲自振频率，从而减小振动，提高车辆的舒适性及安全可靠性。

作者简介：张艳杰（1982—），男，单位：长春轨道客车股份有限公司工程研究中心，高级工程师。

（作者单位：长春轨道客车股份有限公司工程研究中心）