动车组车体静强度及疲劳失效分析

动车组车体静强度及疲劳失效分析

熊彬羽

（中车 长春轨道客 车股份有限公司，吉林长春 130062）

摘要：动车组车辆在车体设计与试验过程中，要对车体结构模型针对实际运行工况及轮轨关系做模态分析，并对车辆试制模型做一系列强度试验，目的是为了保证车体外壳在实际运营环境中避免未知及不可接受的动态冲击，在做模态分析时要考虑其车体扭转及垂向弯曲性能，确保车体在模拟实际运行时的刚度，从而确保行车安全与乘客安全。

关键词：动车组车辆 强度试验 模态分析 行车安全

1、前言

车体结构在生产制造后利用试验台设备对车体结构进行车体静强度试验、车体气密强度试验、模态以及整车模态（具体试验内容根据客户要求）等试验，同时也可兼顾车上关键部件（如过渡车钩、车体底架横梁、吊装结构、端部结构等）的强度等试验要求。车体静强度试验台可以进行高速列车、中低速客车、城轨车车体静强度试验、垂向、扭转、抬车、顶车、端墙事故等工况加载试验。具体包括：垂向载荷试验、纵向载荷试验、扭转载荷试验、顶车试验、抬车试验、车体气密性试验。具体如图1所示。

图1 车体强度试验台

本文旨在针对设计阶段对车体进行模型设计结束后，使用计算机辅助软件对所设计的模型加载一系列动态运营环境因素，通过分析得出仿真结果，针对仿真结果判断所设计结构的合理性，从而将风险及结构优化控制在设计阶段，避免成本浪费及人力损耗。动车组车体模态分析如图2所示。

图2 动车组车体模态分析

2、车体疲劳研究

由于越来越多的人选择高速动车组作为出行方式，车辆受到的实际载荷也越来越大，加上车辆速度的提升，车辆高速行驶时的自身振动以及外部因素会对车身自身缺陷以及制造缺陷进行放大，当这种缺陷积累到一定程度时就会导致承载构件产生裂纹，引起疲劳破坏，影响车体机构安全可靠性对车辆行车安全以及旅客人身安全带来影响。

以高速动车组车体为研究对象，根据二维图模型生成三维模型以及建立有限元分析模型；依据EN12663标准确定各工况下的载荷并且在有限元分析软件中进行加载计算，进行该型动车组整车车体的静强度分析以评估其设计是否合理。计算所得车体各位置的等效应力都在各位置材料的许用应力范围内，表明该车车体结构的静强度满足要求；在扭转载荷作用下，车体结构上的最大应力幅均在各个位置材料的疲劳许用应力值之内，因此该车型车体结构在静强度加载下的疲劳强度满也满足要求。以整车车体计算结果为基础选取车体关键位置并且对车体关键部位采用子模型研究方法,对车体关键部位进行更加细致的应力分析，运用子模型法对于动车组关键位置的细致应力分析提高了其计算精度，也为未来对车体局部静强度分析研究提供了一个思路。

3、动态模型分析算法原理

车体模态分析应用力学中的动力学知识进行计算，应用弹性力学知识的多维模型与对力限制或定义边界条件，使用等效微积分，最终可得到弹性体网络格式下的有限元方程。通过定义节点加速度向量、速度向量、位移向量及质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵与节点载荷向量等因子，对无阻尼结构模型的自有振动频率及振动物理模型进行理论预测，也可以为ANSYS有限元模态分析提供理论支撑。

利用HyperMesh建立高速动车组车体结构的有限元模型；并根据相应标准确定了车体静强度分析的工况。在此基础上利用有限元仿真软件对每个工况进行静强度分析和整车模态分析，以评价车体主要部位的强度、车体刚度和动态性能。然后，在仿真软件中提取车体上具有代表意义的测点的应力，并与试验结果进行对比，以验证有限元模型和分析结果的准确性。建立在实际运行中出现问题的包含焊缝细节的高速动车组某设备舱原结构有限元模型，并根据EN12663—2003标准和相关线路实验数据确定其所受的疲劳载荷模式，并进行疲劳分析。

4、结语

高速化、轻量化是当今客运列车发展的两大时代主题，然而高速化和轻量化在减少运行时间和提高经济效益的同时也带来了更多的车辆强度问题。速度提高，车辆所受激扰频率增加，车辆部件疲劳问题不断出现；轻量化的同时车辆刚度下降，对结构设计要求更高。而在我国铁路客车不断提速，高速动车组应用范围不断扩大，为保证高速动车组运行的安全性和可靠性，高速动车组及其关键零部件的强度和抗疲劳能力必须满足设计和使用要求。

参考文献

[1]崔勇.高速动车组车体静强度、模态及关键部件疲劳寿命研究[D].大连交通大学,2019.

[2]伊召锋,刘东亮,张娜,等.高速动车组车体疲劳强度分析[J].中国科技博览,2013(26):1.

[3]曹辉.高速动车组车体振动控制与应变模态分析[D].西南交通大学,2016.

[4]马梦林,付德龙,李东日,等.基于试验模态的列车振动特性的研究[C]//中国铁道学会车辆委员会动车.2012.