C80B型车体结构的强度及模态分析
高速铁路列车车体结构模态分析与优化
高速铁路列车车体结构模态分析与优化高速铁路列车的运行速度日益增加，为确保列车的稳定性和乘坐舒适度，车体结构的模态分析和优化变得愈发重要。
本文将对高速铁路列车车体结构进行模态分析，并探讨如何通过优化车体结构来提高列车的运行性能。
首先，我们将进行高速铁路列车车体结构的模态分析。
模态分析是研究机械结构在固有频率下的振动特性的一种方法。
通过计算车体结构的固有频率和振型，可以了解列车在不同振动模态下的响应情况，并判断是否存在共振问题。
同时，模态分析还可用于检测车体结构的强度和刚度，并为后续的优化设计提供基础。
在模态分析过程中，我们要考虑列车的运行工况、车体结构的材料特性、连接方式等因素。
通过有限元分析方法，我们可以对整个车体结构进行离散建模，并计算出结构的振动模态。
对于高速列车而言，模态分析的重点通常是低频振动模态，因为高频模态对列车运行影响较小。
针对模态分析结果中发现的问题，我们可以进一步考虑车体结构的优化。
优化车体结构旨在提高列车的运行性能，例如减小结构的重量、提高结构的刚度和强度、降低共振风险等。
为此，我们可以采用以下几种优化方法。
首先，材料选用是车体结构优化的关键。
选择合适的材料可以提高结构的轻量化效果，减小车体质量对列车的影响。
优化材料的选择要考虑结构的强度、刚度和耐疲劳性等多方面因素，并使得整体材料成本不过高。
常用的思路是采用高强度、高刚度的材料，如碳纤维复合材料，以替代传统的金属材料。
其次，结构拓扑优化是一种有效的方法。
通过重新设计和优化车体结构的拓扑形状，可以减小结构的重量和体积，提高结构的刚度。
例如，在车体结构的运动关节点上增加加强构件，可以提高结构的整体刚度和强度，减小结构的应力集中。
另外，结构的缺陷和不规则特征都会影响模态分析的结果和车体的振动性能。
因此，进行几何形状的优化也是必要的。
几何形状优化可以通过对车体的涵义管线和曲线进行优化，以减小空气阻力和降低噪声。
此外，优化结构还应考虑列车的气动性能，以提高列车的稳定性和降低风险。
B型内燃动车组铝合金车体模态分析及试验验证
B型内燃动车组铝合金车体模态分析及试验验证摘要本文针对B型内燃动车组铝合金车体的结构特点及铝合金材料的力学性能，合理建立车体有限元模型，模拟车体的模态。
通过仿真与试验结果的对比表明，有限元分析结果与试验数据在模态的振型和频率在数值上接近一致，考虑到车体结构的复杂性及有限元建模的过程，可以认定有限元模拟的可靠性，为车体结构的进一步优化与改进提供了参考依据。
关键词铝合金车体模态有限元试验1前言轨道车辆在行驶过程中，由于轨道的不平顺、轮轨间的相对运动及车辆悬挂系统自身的特征等原因，车辆在行驶过程中会产生复杂的振动，这种振动的大小与对旅客的乘坐舒适度和车体结构的疲劳损伤都有明显的影响。
为保证设计的轨道车辆在运行中具有良好的车体结构振动特性，需对车体的模态进行分析。
本文根据模态分析理论，采用有限元分析软件对B型内燃动车组铝合金车体进行模态分析，并通过与试验数值的对比，验证了有限元模型的可靠性，为车体结构的优化设计和后续开发提供了可靠地保证。
2模态分析理论本次车体模态分析计算工况为无约束自由模态。
对于铝合金Tc车体的动力学问题，可以根据三维弹性动力学基本方程及力的边界条件，并利用等效积分形式的Galerkin提法，最终得到弹性体振动的有限元格式下的动力学微分方程：（1）其中：、和分别是结构的结点加速度向量、结点速度向量、结点位移向量，M、C、K、Q(t)分别是结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和结点载荷向量。
式（1）是铝合金TC车体振动分析的动力学基础。
车体自由模态分析主要是预测无阻尼结构的自振频率和振型，这一方面可以用来预测共振及降噪设计，另一方面可以为求解动力响应做准备。
对无阻尼结构模态求解时，C=0；在进行无约束自由模态求解时，Q(t)=0，则（1）式简化为:（2）假设（2）式解的形式为：，其中φ是n阶振型向量,ω是向量φ振动的频率，t是时间变量，t0是由初始条件确定的时间常数。
将上式代入（2）式得到一广义特征值问题：（3）求解特征值问题的方法有很多，如SVI法、Guyan Reducthion法、Lanczos法等。
C80B型不锈钢运煤敞车简介
C80B 型不锈钢运煤敞车简介C80B 型不锈钢运煤敞车简介C80B 型不锈钢运煤敞车简介2011 年8 月年月郝建华一、概述为实现大秦铁路2005年运量2亿吨、2010年运量达4亿吨的目标，满足大秦线开行2 万吨重载列车的运输要求，缓解我国煤电油运的紧张局面，满足国民经济快速发展的需求。
2005年在C76型敞车、C80型敞车等车型研制成功的基础上，齐车公司研制了性能更为先进、使用可靠、成本更加低廉的C80B 型运煤车辆，以确保大秦线煤炭运输的可持续性发展。
同期，株洲车辆厂研制开发了C80A 型敞车。
C80A 型敞车与C80B 型敞车的结构基本相同，主要区别是C80B 型敞车的车体主要材料采用TCS 不锈钢材料，腐蚀性更强；C80A 型敞车的车体主要材料采用耐候钢材料。
二、主要用途C80B 型不锈钢运煤敞车、C80A 型运煤敞车是为开行2 万吨重载煤炭运输专列而开发研制的专用车辆，能与秦皇岛三、四期煤码头的拨车机、列车定位机和三车翻车机相匹配，实现不摘钩连续翻卸作业；并能适应环形装车、直进直出装车和解体装车作业。
三、主要特点1 自重轻、载重大，可适应2 万吨重载列车编组要求。
2 采用传统敞车的侧壁承载、平底地板结构，结构简单、可靠，维护检修方便。
3 C80B 型不锈钢运煤敞车与煤接触的侧、端墙及地板等主要板材件和梁件采用TCS 不锈钢材料，具有良好的耐腐蚀性能；可有效延长车辆使用寿命。
三、主要特点4 应用可靠性设计理念，对枕梁、下侧门口连接结点等大应力部位进行了细部设计，提高结构可靠性。
5 关键零部件实行了寿命管理，并加严了质量保证期，实现了取消辅修、延长厂段修周期的目标。
6 转向架加装了弹性剪切橡胶垫，实现了弹性定位；减振系统采用了摩擦性能稳定的高分子磨耗板，有效地改善了车辆运行品质，并确保了动力学性能稳定，解决了三大件转向架磨耗问题。
四、主要性能参数及尺寸1 主要性能参数载重80t 自重20t 轴重25t 容积84.8m3 比容1.06m3/t 每延米重8.33t/m 通过最小曲线半径145m 商业运营速度100km/h制动距离（重车、紧急）＜1400m全车制动倍率10.5限界：符合GB146.1-83《标准轨距铁路机车车辆限界》的规定。
浅谈C80高强混凝土质量探析方法综合应用
浅谈C80高强混凝土质量探析方法综合应用摘要：当前，高强混凝土已经被全面适用于高层建筑物，其中典型为C80高强混凝土。
因此针对高强度的C80混凝土而言，技术人员有必要借助质量探析的途径与方式来优化混凝土性能，避免其表现为多种多样的弊病与缺陷。
关键词：C80高强混凝土；质量探析方法；综合应用前言：建筑施工的整体规模正在迅速实现扩大，相比而言，高强混凝土体现为相对更优的强度性能以及其他特征。
C80混凝土本身具备优良的强度特性，对其应当能够借助钻芯取样、无损探测或者岩相取样等方式来评定高强混凝土具备的综合效能，在此前提下保证其符合当前现有的混凝土效能指标，进而全面优化高层建筑物能够达到的整体质量。
一、高强混凝土进行质量探析的具体方法对于泵送的高强混凝土来讲，关键在于保证其符合特定的原料配合比以及其他原料性能，通过运用全面验证的方式来保障混凝土应有的优质性。
在遇到特殊状况时，某些混凝土还可能呈现偏低强度的状态，对此有必要着眼于全方位的质量验证。
在目前的实践中，综合运用质量探析方法应当包含如下的关键点：1.1 运用钻芯取样方法钻芯取样方法通常来讲能够运用于多种多样的抗压检测，尤其是针对实验室中的混凝土试块。
具体来讲，运用钻芯取样方式就可以估测出混凝土试块在当前状态下的超声波速、试块密度以及强度修正值，依照特定的试块编号来完成与之相应的处理。
具体在开展质量探析的相关实践中，应当密切关注原料性能参数、存储混凝土的总时间、出料口以及搅拌站的操作流程、单盘拌制运用的时间等。
在全程监控的前提下，对于C80混凝土还需保证其符合相应的养护方法、现场浇筑方法以及其他操作要点，运用绝热温升监控的方式来探测泵送环境。
1.2 无损探测运用的超声波方法通过运用超声检测，应当能够推断得出特定时间段内的混凝土弹性模量以及混凝土强度。
具体在施行超声探测的检测步骤中，首先应当运用编号方式来标注待测的混凝土构件，确保现有的构件编号都能够实现彼此对应。
地铁B型车车体静强度及模态计算
万方数据 万方数据第２期羊玢。
等：地铁Ｂ型车车体静强度及模态计算３梁和驾驶室结构是钢制的。
Ｂ型车的拖车车体结构、钢端梁和驾驶室端都用壳单元Ｓｈｅｌｌ代表。
引入底架设备荷载时其密度施加在壳单元上。
由一个车体模型、一个驾驶室模型、两个车体枕梁模型和一个钢端梁模型组成，建立的车体有限元模型包括１２４５３２个壳单元、３８１个梁单元、６５７个质量单元，共计１０２１７５个节点凹］（图６，７）。
图６有限元离散模型Ｆｉｇ．６ＦｉｎｉｔｅｅＩｅｍｅｎｔｍｅｓｈｍｏｄｅｌ图７有限元局部模型Ｆｉｇ．７Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｌｏｃａｌｍｏｄｅｌ２车体结构有限元分析２．Ｉ整备状态载荷工况［６］如图８所示，在两枕梁之间的车体地板处测得车体的最大垂向挠度为一８．１５ｍｍ。
本计算所有应力结果采用当量应力（ＶｏｎＭｉｓｅｓ），此应力不得超过许用应力。
当量应力的计算公式为吒一￣／ｏ．５［（仃ｌ一吒）２＋（盯２～吼）２＋（吼一盯１）２］式中：吼为当量应力／ＭＰａ；盯：为主应力／ＭＰａ。
整个车体的ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力分布见图９，整车（包括所有铝制和钢制部件）的最大等效应力为５３．５６ＭＰａ，小于铝制部件和钢制部件的许用应力（为屈服应力的８０％）。
２．２垂直过载载荷工况垂直过载载荷工况的计算目的是确定结构的总图８车体的变形Ｆｉｇ．８Ｂｏｄｙｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ图９整备状态最大等效应力Ｈｇ．９Ａｌｌ—ＳｅｔｕｐｍａｘｉｍａｌＶｏｎＭｉｓｅｓ。
ｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓ体刚度以及在垂直过载下的行为。
在两枕梁间车体地板处测得车体的最大垂向挠度为一１９．５ｍｍ。
车体的ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力分布见图１０。
在第２根侧墙大立柱与窗下板的连接处测得整车的最大ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力为１６０．０３ＭＰａ。
图１０垂直过载最大等效应力Ｆｉｇ．１０ＵｐｒｉｇｈｔｌｏａｄｍａｘｉｍａｌＶｏｎＭｉｓｅｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓ如表１所示，所有钢制和铝制部件的最大ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力均小于其许用应力（屈服应力的８０％），除Ａ位（窗下板与中间柱的第１上线处）的盲铆件的剪切力略大于许用剪切力外，所有焊缝和盲铆件是安全的。
C80B(C80BH)型不锈钢运煤敞车的研制
１ 国内不锈钢铁路货车的研制情况
为 实现 大秦铁路 ２ ０ ０ ５年运 量达 到 ２亿 ｔ２ １ 、 ０ ０年 运 量达 到 ４亿 ｔ 目标 ， 的 满足 大秦线 开 行 ２万 ｔ 重载列 车 的运 输要求 ，０ ４年铁道 部科技 司立 项开 发研 制 ２ ２０ ５ ｔ 重 专 用 运 煤 敞 车 （ 同 编 号 ２ ｏ Ｊ ｌ － Ａ） 轴 合 ｏ ４Ｏ Ｏ 。从 ２０ ０ ３年开始 ， 齐哈 尔铁路 车辆 （ 团 ） 限责 任 公 司 齐 集 有
相继推 出 了 Ｃ。型 、 型 、 型 敞车 ， 批量 生 产 ， Ｃ。 Ｃ。 并 初 步缓解 了运量增 加 与车辆 供给不 足 的矛盾 。
行 ） 、铁 道货 车用 Ｔ 》《 ＣＳ不锈 钢板 、 钢带订 货技 术条 件
（ 行） 。 暂 》
从 ２０ ０ ５年 开始 ， 车 公 司分 别 向株 洲 车辆 厂 、 齐 北
方 向。
３ ｒ ２ 经 济性不 锈钢材 料在 国外 早 已实现 批量 Ｃｌ类 生产 ， 且在 铁路重 载货 车上越 来越 多地得 到 了使用 ， 其 焊接 、 下料 、 加工 工 艺 等方 面 成熟 、 定 。南 非铁 路 大 稳 吨位煤 车 车体 已全部 采 用 ３ ｒ ２不 锈 钢制 造 ， 大 利 Ｃｌ 澳 亚 铁路 煤车 、 矿石 车 的 车体 已大量 采 用 ３ ｒ ２不 锈钢 Ｃｌ 或 与其 性能 相 当的 ５ ｒ２不 锈钢 ， 国 、 Ｃ１ 英 瑞典等 欧洲铁
王 胜 坤
（ 国北 车 集 团 齐齐 哈 尔铁 路 车 辆 （ 团） 限 责 任公 司 技 术 中心 ， 龙 江 齐 齐哈 尔 １ １０ ） 中 集 有 黑 ６ ０ ２
动车组车辆车体结构的疲劳模态分析
动车组车辆车体结构的疲劳模态分析摘要：动车组车辆在车体设计过程中，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，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：动车组车体模态分析行车安全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。
图2 动车组车体模态分析2、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。
3、相关知识扩展高速化、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。
C80B型车体结构的强度及模态分析
C80B型车体结构的强度及模态分析赵戈;钟宇光;张玄;张磊【摘要】以C80B型运煤专用敞车车体为研究对象，应用Pro/E软件建立三维几何模型。
在有限元的理论基础上，论述了车体有限元模型的单元选取、网格划分及边界处理，然后在ANSYS软件中对车体进行静强度分析和模态分析。
结果表明，该车型车体在各种工况载荷作用下，满足《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》要求，同时找出了车体的危险部位，为进一步改进敞车设计提供参考。
%Taking the wagon body of C80B as the object of study, a 3-D geometrical model of the wagon body is set up by software PRO/E. This paper discusses the selection, meshing and boundary processing of the body’s finite element model based on the Finite Element Theory. The static strength analysis and modal analysis of the body are conducted with the software ANSYS. The results showed that the vehicle body meets the requirements of the strength design of railway vehicles and test code for identification. At the same time, the dangerous parts of the car-body are found out, providing references for further improving wagon car design.【期刊名称】《应用科技》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】6页(P1-6)【关键词】敞车车体;静强度分析;模态分析【作者】赵戈;钟宇光;张玄;张磊【作者单位】哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】U272.2铁路是国家的重要基础设施，国民经济的大动脉，承担着繁重的客货运输任务，尤其在煤炭、原油、钢铁等关系国计民生的大宗物资运输方面的作用是无可替代的.我国铁路实施跨越式发展战略以来，特别是在经历了第5次大面积提速后，铁路货运能力有了较大提高.近年来，我国机车车辆工业企业研制了一批载重80 t级的运煤专用敞车，有效缓解了我国铁路紧张的运输局面.以齐齐哈尔轨道交通装备有限公司主持研制的C80B型运煤专用敞车的车体为研究对象，根据相关数据，在Hyper Mesh中建立详细的车体有限元模型.应用有限元分析软件 ANSYS中对车体结构进行静强度分析，以验证车体的强度和刚度，同时依据车体有限元模型的模态分析，初步了解车体的动力学特性，对以后相关车体结构的改进来说，具有一定的借鉴意义.1 车体结构和性能参数文中研究的C80B型敞车车体结构为有中梁的平地板全钢焊接结构，主要由底架、前端墙、侧墙、撑杆、上心盘和下侧门等组成.该车与货物接触的侧墙及前端墙的主要型材、板材及地板采用屈服强度为345 MPa的TCS345经济型不锈钢（底板厚度为5 mm板材，侧墙和前端墙为4 mm板材）；底架的框架（地板除外）主要型材、板材采用屈服强度为450 MPa的Q450NQR1高强度耐火钢；上心盘和冲击座由C级铸钢整体铸造.底架由中梁、枕梁、大横梁、小横梁、纵向梁、地板、旁承和上心盘等组成；侧墙由侧柱、门柱、上侧梁、上门框和侧板等组成；前端墙由端板、横带、角柱、上端梁及加强柱等组成；该车内设有 3组水平撑杆，其中撑杆座与撑杆采用铰接结构连接；为了使车体内的颗粒货物方便清扫，在每个侧墙中下部设置一个下侧门；在底架枕梁上设置了加长的顶车垫板.其主要性能参数[1]如表1所示.表1 主要性能参数主要性能参数载重/t 80自重/t 20轴重/t 25正常运营速度/（km·h-1） 100车辆长度/mm 12000车辆定距/mm 8200车体内长/mm 10550车体内宽/mm 2976车体内高/mm 2708下侧门高×宽/mm×mm950×7482 车体有限元建模由于车体结构及受力是对称的，故可建立车体的二分之一模型，对车体进行分析研究.首先在三维几何软件Pro/E绘制C80B车体的半车几何模型（见图1），然后导入Hyper Mesh中进行网格划分，最后在有限元软件ANSYS12.0中进行分析计算.图1 半车几何模型1.侧墙枕柱；2.前端墙；3.前端墙横带；4.中梁；5枕.梁；6.侧墙侧柱；7.侧墙2.1 单元的选取及网格划分C80B运煤敞车为全钢焊接结构，其车体结构主要由不同厚度的钢板焊接组成，这些板结构既承受板平面内载荷引起的拉压变形又承受垂直于板平面载荷带来的扭转变形，对比有限元的相关理论[2]，在线性静强度分析中，对车体离散时采用板壳单元 Shell63.Shell63单元为空间4节点变形结构，每个节点有6个自由度，分别沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和绕节点坐标系X、Y、Z轴的转动.为了准确模拟车体的受力特征，在车体与转向架的接触位置的上心盘和旁承建立Beam4梁单元.根据组成车体部件的特征（长度远大于厚度），本文在有限元前处理软件Hypermesh10.0划分网格，先抽取其中性面，再进行几何清理和修复，提高网格划分的质量[3].通常在对结构建模时，对焊缝直接以板壳单元简化焊缝甚至于不对其进行详细的建模处理，这对于结果准确性有很大的影响.文中分析的车体结构为全钢焊接结构，对焊缝的处理更加重要，最简单也最实用的方法就是将焊缝简化为2块板的直接连接，重叠部分在较大的板面上赋予两块板的厚度来建模，也就是应用粘贴和搭接处理车体板结构之间的连接[4].在 T型的焊接结构的建模过程中，采用的是共节点的方式来模拟焊接部分[5]，如图2所示.图2 T型焊接模型的建模二分之一车体有限元模型共有单元75649个，节点72917个.模型经检查没有出现畸变单元，有限元模型如图3所示.图3 半车有限元模型2.2 边界条件处理在有限元分析中，经常使用这种对称或反对称条件来简化模型[2].文中在分析车体模型时，取二分之一车体有限元模型计算，以车体的横向、垂向、纵向分别为坐标系的Z轴、Y轴、X轴，车体的横向对称面为XY面.对于结构分析而言，在对称面上施加对称约束是指平面外移动和平面内旋转被设置为零，即U z = 0,θ x = 0,θ y= 0；在对称面上施加反对称约束是指平面内移动和平面外旋转被设置为零，即U z = 0,θ x = 0,θ y= 0.同时在车体和转向架的连接构件上心盘施加弹性全约束[6].2.3 车体材料特性无论是对车体进行静强度计算还是模态分析，其车体材料特性必不可少.车体作为全钢焊接结构，材料可分为母材和焊材，即没有焊接的区域称为母材，构件焊接部分材料已不同于其中任何一种组成材料.在文中按照焊接结构的建模方式的不同，其材料特性可按照屈服极限较小的母材材料特性来计算.母材特性如表2所示.表2 母材材料特性材料屈服极限/MPa密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa 泊松比Q450NQR1 450 7850 2.05e5 0.3 TSC345 345 7850 2.05e5 0.293 车体有限元计算3.1 基本载荷及组合工况根据TB/T1335-1996规范说明，结合C80B提供的有关数据经过计算，作用在车体上的基本载荷及受力的具体部位如表3.表3 基本载荷及作用位置载荷作用位置大小垂向静载荷/kN 底板 901.6垂向总载荷/kN 底板 1108.6侧向力/kN 底板 98.05扭转载荷/kN·m 旁承 40散货侧压力（第一工况）/Pa 侧墙 4426.3散货侧压力（第二工况）/Pa 侧墙 13132.6散装货物侧压力/Pa 前端墙 78325.7纵向拉伸力/kN 前从板 2250纵向压缩力a/kN 后从板 2500纵向压缩力b/kN 后从板 2800考虑车体在实际中的运行情况和《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的要求，在有限元分析计算时要考虑组合工况如表4.表4 组合工况工况载荷系数工况1：垂向总载荷 1工况2：垂向总载荷+侧向力+扭转载荷+散货侧压力（第一工况）+纵向拉伸力 1工况 3：垂向总载荷+扭转载荷+侧向力+散货侧压力（第一工况）+纵向压缩力a 1工况4：垂向静载荷+散货侧压力（第二工况）+散装货物侧压力+纵向压缩力b 13.2 计算结果分析根据上述载荷工况的具体情况，以相对应的形式施加于相应的位置，应用ANSYS12.0软件对该敞车车体进行有限元静强度分析.计算结果如表5，各应力云图如图4～7所示.表5 4种工况下最大应力及位置工况最大应力发生位置最大应力/MPa许用应力/MPa 1 前端墙与中梁连接附近 227.143 3802 前端墙与中梁连接附近 263.8563803 前端墙与中梁连接附近 284.090 3804 侧墙枕柱与端墙横带连接处 292.657 380图4 工况1应力云图车体在工况1的条件下的应力云图表明作用在地板面上的载荷几乎全部传递到底架的各个梁构件上，前端墙和侧墙上靠近地板的金属板承受部分载荷.车体的最大应力为227 MPa，发生在前端墙与中梁的连接部分.图5 工况2应力云图在计算车体在工况2条件下的车体受力时，对其边界采用反对称约束，散货侧压力运用梯度加载的方式施加.计算结果表明，工况2载荷的影响范围涉及整个中梁及枕梁，其最大应力区域也分布在中梁上，其值为263 MPa.图6 工况3应力云图工况3与工况2的边界条件相同，只是把车钩拉伸力替换为车钩压缩力.此时，车体中梁及前端墙连接处应力较大，其次是中梁与上心盘连接部分.图7 工况4应力云图重载货车在运动状况发生变化时，例如启动、加速及刹车等，散体货物对车体前端墙的作用力会随之发生较大的变化，会严重损坏车体结构.对车体前端墙在最严厉的条件下进行受力分析（工况4），结果表明，整个前端墙受力都比较大，其最大应力区域在横带与侧柱连接处，最大值为292 MPa.通过上述结果分析可知，工况2、3和4的最大当量应力发生位置大都在连接处，其最大应力值为292.657 MPa，在许用应力范围之内.其余位置的应力都相对较小，符合我国车辆强度规范的要求[8].4 车体模态分析如今，铁路车辆正在向高速重载的方向发展，简单的静力学分析已经不能够满足结构安全性的要求，尤其在车辆高速运行时，轨道激励被放大，当激励频率与车体的固有频率接近时，可能引起车体结构的共振，车体结构会发生剧烈振动，带来车体的疲劳破坏或者大位移变形.通常的解决方法是加强破坏部分的强度，但这不能从根本上解决问题，时间一长还会发生断裂.从根本上解决问题就是要避免共振，即改变车体结构的固有频率或者改变激励源的固有频率.一般来说，激励的固有频率是不容易改变的，相对来说改变车体结构的固有频率是常用的做法.本节车体模态分析其中一个目的就是计算车体的固有频率，避开与激励产生共振，引起疲劳破坏. 模态分析是用来确定一个机械结构的固有频率和振型，其核心内容为求解机械结构振动的特征值问题.在有限元法理论中，对于一个多体系统，其振动的动力学矩阵方程 [7]：式中M、C、K、F分别代表质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、载荷向量相应向量；为机械结构的加速度、速度及位移向量.在有限元分析程序中，无阻尼的情况下，式（1）可简化为式中ω、ψ为特征值和特征向量.模态分析就是求解上述简化方程，也就可求解出结构的固有频率ω和结构振型ψ.在ANSYS12.0软件中，采用Block Lanczos模态提取法对车体模型进行模态分析.因为车辆产生振动时的能量大都在低频区域，也就是车体的典型振动对车体的破坏性最大.在文中对车体模态分析是采用零自由度约束[9]，即在车体的上心盘处的X、Y、Z方向不施加约束.前6阶的模态都会是零，表现为刚体的平动或转动，主要是观察后面大于零的模态，取8个阶次的固有频率及相应振型，如表6和图8所示. 表6 车体的各阶次频率和振型阶次频率/Hz 振型1 4.4240 一阶扭转2 10.652 一阶横向弯曲3 13.489 二阶横向弯曲4 17.524 三阶横向弯曲5 23.797 局部振动6 24.808 局部振动7 25.290 局部振动8 25.471 局部振动图8 车体部分模态振型在车体的模态分析中，由于采用的是零自由度约束，因此前6阶模态为车体刚性振动模态，即典型振动模态，其频率比较小，在文中不列出.第1阶模态到第4阶模态为车体的整体弹性振动和局部振动的结合，第5阶模态以后为车体侧墙的局部弹性振动，振幅变化主要集中在与撑杆相连接的侧墙上.整体来看，车体连续振型之间没有太大的突变，刚度分配比较合理.5 结束语对C80B型运煤敞车车体进行有限元建模并进行静强度分析和模态分析.在不同工况下，有限元静应力分析得出的车体的最大应力值，对比我国现行的《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》，车体符合刚度和强度要求.同时静强度分析结果也指出车体结构的薄弱部位，如车体端墙上的加强柱与中梁连接的位置等，这为将来的改进提供一定的参考.另外，通过对车体的模态分析，更进一步了解车体的动力学特性.分析结果可知，车体的模态集中在20～30 Hz，且后面的模态振型大都集中在侧墙和端墙，说明这是在车辆运行过程中要重点关注的部位.参考文献：[1]王胜坤.C80B(C80BH)型不锈钢运煤敞车的研制[J].铁道车辆, 2007, 45(10): 16-20.[2]王勖成.有限单元法[M].北京: 清华大学出版社, 2003:381-420 .[3]贺李平, 龙凯, 肖介平.ANSYS13.0与HyperMesh11.0联合仿真有限元分析[M].北京：机械工业出版社, 2012: 16-20 .[4]杨爱国, 张志强, 杨江天.基于有限元建模的敞车轻量化设计[J].中国铁道科学, 2007, 28(3): 79-83.[5]RICHMOND S.Finite element analysis of freight car structures for fatiguelife prediction[C]// Proceedings of JRC2006 Joint Rail Conference.Atlanta, USA, 2006: 4-6.[6]范国海, 张纯义, 关晓丽, 等.车辆结构建模中的几个难点及对策[J].大连铁道学院学报, 2000, 21(3): 7-12.[7]曹树谦.振动结构模态分析——理论、实验与应用[M].天津: 天津大学出版社, 2001: 23-78 .[8]TB/T1335-1996, 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].[9]郭志全, 徐燕申, 杨江天.基于 FEM 的新型运煤敞车的结构模态分析[J].机械强度, 2006, 28(6): 919-922.。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ， Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｈａ ｒｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ０１ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ
第４ Ｏ卷 第 ５期 ２ ０ １ ３年 １ ０月
应
用
科 Βιβλιοθήκη 技 、 ｂ１ ． ４ ０ Ｎｏ ． ５
Ｏｃ ｔ ． ２ ０ １ ３
Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ６ ７ １ Ｘ． ２ ０ １ ２ １ １ ０ ０ ６
ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ Ｐ ＲＯ／ Ｅ．１ １ １ ｉ ｓ ｐａ ｐｅ ｒ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕｓ ｓ ｅ ｓ ｈｅ ｔ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｍｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ａ ｎｄ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｂｏ ｄ ｙ’ Ｓ ｉｎ ｆ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｈｅ ｔ Ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｔｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ．Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｉｃ ｔ ｓ ￣ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｎａ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｎｄ ａ ｍｏ ｄ ａ ｌ ｎａ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｂ ｏ ｄ ｙ ｒｅ ａ ｃ ｏ ｎｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｗｉ ｈ ｔ ｈｅ ｔ
网络出版地址：ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ／ ｋ ｃ ｍｓ ／ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ／ ２ ３ ． １ １ ９ １ ． Ｕ． ２ ０ １ ３ １ ０ ０ ９ ． １ ９ ４ ３ ． ０ ０ ３ ． ｈ ｔ ｍｌ
Ｃ ８ ０ Ｂ型 车体 结 构 的强度 及 模 态分 析
赵 戈 ，钟 宇光 ，张 玄 ，张磊
哈尔滨工程大学 机电工程学院，黑龙江 哈 尔 滨 １ ５ ０ ０ ０ １
摘 要：以 Ｃ ８ ０ Ｂ型运煤专用敞车车体为研究对象 ， 应用 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ软件建立三维几何模型． 在有限元的理论基础上 ，论述
了车体有 限元模型的单元选取 、网格划分及边界处理 ，然后在 Ａ ＮＳ ＹＳ 软件中对车体进行静强度分析和模态分析． 结果 表明，该车型车体在各种工况载荷作用下 ，满足 《 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 》 要求 ，同时找出了车体的危险部 位 ，为进一步改进敞车设计提供 参考． 关键词 ：敞车车体 ；静强度分析 ；模态分析
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｗａ ｇ ｏ ｎ ｂ ｏ ｄ ｙ ｏ ｆ Ｃ ８ ０ Ｂ ａ ｓ ｈｅ ｔ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ， ａ ３ － Ｄ ｇ ｅ ｏ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｗ ａ ｇ ｏ ｎ ｂ ｏ ｄ ｙ ｉ ｓ ｓ ｅ ｔ ｕ ｐ ｂ ｙ
铁路是 国家的重要基础设施 ，国民经济 的大动 脉， 承担着繁重的客货运输任务， 尤其在煤炭、 原油、 钢铁等关系国计 民生的大宗物资运输方面的作用是无 可替代 的 ． 我 国铁路 实施跨 越式 发展 战略 以来 ，特别 是在经历了第 ５ 次大面积提速后 ，铁路货运能力有了 较大提高． 近年来 ，我国机车车辆工业企业研制了一 批载重 ８ ０ ｔ 级的运煤专用敞车 ，有效缓解 了我国铁路
ｓ ｏ ｔ ｂ ｖ ， ｒｅ ａ ＡＮＳ Ｙ Ｓ． Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ ｈａ ｔ ｔ ｈｅ ｔ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｂ ｏ ｄ ｙ ｍｅ ｅ ｔ ｓ ｈｅ ｔ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｓ ￣ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｒ ａ ｉ ｌ ｗａ ｙ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｎｄ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｃ ｄｅ ｏ ｆ ｏ ｒ ｉ ｄ ｅ ｎ ｉｆ ｔ ｉ ｃ ａ ｉ ｔ ｏ ｎ． Ａｔ ｈｅ ｔ ｓ ａ ｍｅ ｉｍｅ ｔ ， ｈｅ ｔ ｄ ｎｇ ａ ｅ ｒ ｏ ｕ ｓ ｐ ａ ｒ ｔ ｓ ｏ ｆｔ ｈｅ ｃ ｒ－ ａ ｂ ｏ ｄ ｙ ａ ｒ ｅ ｏｕ ｆ ｎ ｄ ｏ ｕ ｔ ， ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｎｇ ｉ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏｒ ｆ ｆ ｕ ｒ ｔ ｈｅ ｒ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖｉ ｎ ｇｗ ａ ｇ ｏ ｎ Ｃ ｒｄ ａ ｅ ｓ ｉ ｎ． ｇ Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ： ｗａ ｇ ｏ ｎ ｂｏ ｄ ｙ； ｓ ａｔ ｔ ｉ ｃ ｓ ￣ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ； ｍｏ ｄａ ｌ ｎａ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
中图分 类 号 ：Ｕ２ ７ ２ ． ２ 文献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编号 ：１ ０ ０ ９ — ６ ７ １ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ）０ ５ — ０ ０ ０ １ — ０ ６
Ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｍｏ ｄａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ｅ ｏ ｆ Ｃ８ ０ Ｂ ｗａ ｇ ｏ ｎ ｂ ｏ ｄ ｙ