地铁车体改造结构强度及模态分析
某B型不锈钢地铁车体刚度、静强度及模态分析
某B型不锈钢地铁车体刚度、静强度及模态分析发布时间：2022-09-01T06:27:03.940Z 来源：《科学与技术》2022年8期（下）作者：史鸿枫初彦彬杜晓杰葛永才[导读] 为保证车辆行驶的安全性，对某B型不锈钢地铁车辆车体进行刚度、静强度及模态分析。
史鸿枫初彦彬杜晓杰葛永才中车大连机车车辆有限公司辽宁大连 116022摘要：为保证车辆行驶的安全性，对某B型不锈钢地铁车辆车体进行刚度、静强度及模态分析。
首先建立车体三维模型并进行网格划分，生成有限元模型。
根据EN126663《铁路应用：铁路车辆车体的结构要求》标准，确定计算工况，进一步地，基于Ansys软件计算得到车辆刚度和静强度的计算结果及车体在整备状态下的固有频率，结果表明该B型不锈钢地铁车辆车体的刚度、静强度及模态均满足设计要求。
关键字：不锈钢地铁；静强度分析；模态分析1.前言随着城市化率的不断提高，城市轨道交通的乘客数量与日俱增，因此车辆的行驶安全性成为最重要的研究课题。
B型不锈钢地铁车辆凭借优良的耐腐蚀性能与较低的维护运行成本，在天津地铁、沈阳地铁2号线等多个线路中得以应用。
为对B型不锈钢地铁车辆的安全性能进行研究，郭新等人进行了车体强度试验，结果表明车体的薄弱部位位于门角和窗角[1]。
程相文等人对车窗及门角等圆弧位置采用节点对应方式过渡，提高了网格质量与计算精确度[2]。
王玉峰等人将计算结果与实际测试结果进行对比，验证计算结果的有效性[3]。
为满足车体轻量化要求，对某B型不锈钢地铁车辆中间车车体进行了优化：将窗立柱结构的厚度减小0.20mm，整列车共减重151.72Kg。
本文根据EN 12663标准，对优化后的中间车车体刚度、静强度进行分析。
首先建立车体三维模型，并利用Hypermesh软件进行网格划分，之后基于Ansys软件的计算结果校核车体刚度与静强度。
为评估振型及自振频率，在车辆整备状态下，对整车进行模态分析。
2.车体三维建模及网格划分车体为薄壁筒形整体承载结构，由顶棚、侧墙、端墙及底架四部分组成。
地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析
学术探讨
地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析
周 伟
(中南大学 长沙 410075)
摘 要 简要介绍有限元强度计算和模态分析的相关 理论 ,应用有限元分析软件 ANSYS, 建立地铁动车不锈 钢车体结构的有限元分析模型 ,确定有限元模型的计算 载荷和评定标准 ,计算车体在给定工况下的静强度 , 以 及整备状态下的固有频率和振型 。结果表明 ,车体静强 度及刚度在各运用工况下都能满足相关标准要求 。 关键词 不锈钢车体 有限元 强度 模态
第三工况下车体最大应力为168462mpa发生在侧墙门立柱与底架边梁相交处顶结构最大应力点出现在车顶波纹板与平顶交界处底架波纹板最大应力点出现在牵引梁与波纹地板相交1各工况下不同结构处的应力水平mpa工况车顶底架波纹板耐候钢结构第一工况1841196843第二工况247169180124第三工况13316812290许用应力2822822821842第二工况下车体和耐候钢结构的应力分布48地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析urbanrapidrailtransit车体侧墙结构的加强横梁和压筋结构改善了侧墙蒙皮的纵向刚度和垂向刚度实现了更有效的承载和传载
4.3 变形和刚度分析
车体在垂向总 载作 用下 , 底架 下边 梁中 部垂 向挠
度 fc =5.873 mm, 两转向架中心距为 L2 =12 600 mm, fc <12.6 mm, 满足在最大垂向载荷作用下车体静挠度不
图 3 车体振型图
超过两转向架支撑点之间距离 1‰的要求 。
好地反映不锈钢 车体 的结 构特 点 , 是 车体 结构 强度分
表 1 各工况下不同结构处的应力水平 MPa
工况 第一工况 第二工况 第三工况 许用应力
全自动驾驶地铁不锈钢车体静强度和模态分析
全自动驾驶地铁不锈钢车体静强度和模态分析许娇;田爱琴;张文彬;张寅河;王瑜;王小杰【摘要】Based on structural features of the stainless car body of the automatic driving subway,the geometric model of this car body is simplified,and then the corresponding finite element model is established.Based on calculation standard of the static strength of the car body,10 kinds of computational cases are determined and computed.Meanwhile,the stiffness of car body structure under maximum vertical load,the modal of the steel structure of car body and the modal of the structure of car body in working order are also computed.The computational results indicate that the stiffness,static strength and modal of the stainless car body of automatic driving subway satisfy the design requirements of the car body structure.%根据全自动驾驶地铁不锈钢车体结构特点,简化该车体几何模型,建立相应的有限元模型.基于车体静强度计算标准,确定10种车体结构静强度的计算工况.在这些计算工况作用下,计算车体结构的静强度.计算在最大垂直载荷作用下车体结构刚度,以及车体钢结构模态与整备状态下车体结构模态.计算结果表明全自动驾驶车辆不锈钢车车体结构的刚度、静强度和模态均满足车体结构设计要求.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2017(038)002【总页数】3页(P34-36)【关键词】不锈钢车体;有限元;静强度;模态【作者】许娇;田爱琴;张文彬;张寅河;王瑜;王小杰【作者单位】中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;北京市轨道交通建设管理有限公司,北京100068;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111【正文语种】中文【中图分类】A全自动驾驶车辆车体材料主要采用高强度轻型不锈钢.不锈钢车体结构容易实现轻量化设计，同时具有耐腐蚀、免油漆、维护成本低、防火性能好等优点[1].然而，当焊接不锈钢材料时，不锈钢结构易发生焊接变形.因此，为了避免大的焊接变形，不锈钢车体结构通常采用电阻点焊方法实现不同部件的连接，尤其是车体侧墙结构. 为了保证地铁车体结构的刚度和静强度满足设计要求，在地铁车体设计阶段通常采用有限元分析方法校核车体结构的刚度和静强度.通过有限元方法的数值结果能够发现地铁车辆结构设计的不足，进而能够及时修改原始设计方案，最终提高产品研发速度和质量，以及节约大量设计成本.李培等人[2]采用三维梁单元模拟点焊.他们计算在各种载荷工况作用下不锈钢地铁刚度和静强度.杜健等人[3]通过优化侧墙点焊的数量和位置提高焊接效率和改善侧墙疲劳性能.谢素明等[4]通过子结构技术和变密度法优化车体局部焊点布局，进而改善不锈钢车体结构稳定性.刘婷婷等[5]通过不锈钢车体结构稳定性分析发现原始不锈钢车体设计方案的不足.他们提出车体结构的改进方案，从而使车体结构稳定性满足技术标准的要求.许晶晶[6]调查在空车状态和整备状态下不锈钢车体结构的自振频率和振型.王小杰等[1]分析B型不锈钢地铁结构的静强度、稳定性以及点焊与焊缝的疲劳性能.刘锡顺等[7]根据不锈钢车体结构的有限元分析结果改进车体结构设计.根据《BS EN 12663：2010 Railway applications -Structural requirements of railway vehicle bodies》确定10种车体静强度的计算工况.利用有限元方法求解在这些计算工况作用下不锈钢车体结构的vonMises应力.为了校核不锈钢车体结构刚度，本文计算在最大垂直载荷作用下车体结构位移.在没有考虑车体结构位移约束情况下，计算车体钢结构模态和整备状态下车体结构模态.全自动驾驶地铁的中间车车体结构采用薄壁筒型整体承载结构，它主要包括底架、侧墙、车顶和端墙等.底架采用无中梁结构，它由牵引梁、枕梁、缓冲梁、边梁、波纹地板和横梁等组成.侧墙由上边梁、下边梁、侧墙板、侧墙立柱和内层筋板等组成.车顶由波纹顶板、弯梁和空调平台等组成.端墙由门立柱、门横梁、端墙板和端角立柱等组成.该地铁车体的长度、最大高度和最大宽度分别为19 000、3 800和2 800 mm.底架端部结构采用Q345C耐候钢，而其他车体结构采用SUS301L-DLT/ST/MT/HT高强度轻型不锈钢.根据全自动驾驶地铁不锈钢车体结构特点，采用壳单元离散车体主结构，其中车体结构的重要部位主要采用任意四边形壳单元.由于某些车体结构中通过点焊实现不同结构之间的连接，采用点焊单元模拟焊点.通过刚性杆单元使纵向载荷、空调载荷和车下设备吊挂载荷作用在车体结构相应位置上.整车有限元模型包括175.8万节点、172.1万壳单元和1.9万点焊单元.依据《BS EN 12663：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》，确定车体静强度计算工况.车体静强度计算工况主要包括10个计算工况：①计算工况1：空载工况；②计算工况2：定员工况；③计算工况3：超员工况；④计算工况4：最大运转载荷工况；⑤计算工况5：最大运转载荷与800 kN纵向压缩载荷相结合的复合工况；⑥计算工况6：最大运转载荷与640 kN纵向拉伸相结合的复合工况；⑦计算工况7：一端抬车工况；⑧计算工况8：两端抬车工况；⑨计算工况9：三点支撑工况；⑩计算工况10：冲击载荷工况.本文同时计算车体钢结构模态和整备状态下车体结构模态.3.1 刚度计算结果在计算工况4(最大运转载荷工况)作用下，车体底架侧梁中部处最大垂向挠度为7.8 mm.该垂向挠度值小于两转向架支撑点之间距离的1‰(12.6 mm).因此，该车体的刚度满足《GB/T7928-2003地铁车辆通用技术条件》要求.3.2 静强度计算结果计算工况1-4主要调查在垂直载荷作用下车体结构静强度情况.在计算工况1-4作用下，车体结构的vonMises应力分布情况非常相似.由于计算工况4的垂向载荷比计算工况1-3的垂向载荷都大，所以在计算工况4作用下车体各个部件的vonMises应力数值较大.在计算工况4作用下，由于侧墙中枕内第一个门发生较大菱形变形，所以侧墙的最大vonMises应力发生在侧墙中枕内第一个门的门上角，如图1所示.门上角的vonMises应力值为323 MPa，该值小于门上角材料的许用应力(SUS301L-MT， 419 MPa).计算工况5和6主要调查在垂直载荷和纵向载荷共同作用下车体静强度情况.在计算工况5作用下，车体底架中牵引梁的最大vonMises应力发生牵引梁下盖板，如图2所示.这是因为牵引梁下盖板中圆孔产生应力集中.下盖板的vonMises应力值为258 MPa，该值小于下盖板材料的许用应力(Q345C，300 MPa).在计算工况6作用下，车体底架中牵引梁的最大vonMises应力同样发生牵引梁下盖板的圆孔处.下盖板的vonMises应力值为204MPa，该值小于下盖板材料的许用应力.在计算工况7-9中需要抬起车体结构，并且转向架与车体保持连接，因而在垂向载荷中考虑转向架重量对车体结构的作用.在车体处于抬起状态时，车体重量主要由抬车座承担，尤其是两端抬车工况和三点支撑工况.因而，车体底架的最大vonMises应力发生在抬车座区域.以计算工况8为例，图3显示抬车座区域底架局部结构的vonMises应力云图.边梁的vonMises应力值为260MPa，该值小于边梁材料的许用应力(SUS301L-HT，599 MPa).计算工况10主要调查冲击载荷对与车下设备连接的底架结构静强度的影响.在计算工况10作用下底架横梁的最大vonMises应力发生在与滤波电抗器相连接位置，如图4所示.底架横梁的vonMises应力值为246 MPa，该值小于底架横梁材料的许用应力(SUS301L-HT，599 MPa).虽然本文仅给出在各个计算工况作用下车体部分结构的vonMises应力云图，但是车体其他结构的vonMises应力值均小于车体材料的许用应力.因此，该车体结构静强度满足《BS EN 12663：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》的要求.3.3 模态计算结果模态分析中没有考虑车体结构位移约束.表1列出车体结构主要的固有频率. 整备状态下车体结构的整车一阶弯曲固有频率大于10 Hz，因此该车体结构的固有频率符合设计规范要求.利用有限元分析方法求解在各种计算工况作用下全自动驾驶地铁不锈钢车体结构的刚度、静强度和模态，得出如下结论：(1)在最大垂直载荷作用下，车体底架侧梁中部处最大垂向挠度小于两转向架支撑点之间距离的1%.该不锈钢车体刚度满足《GB/T7928-2003地铁车辆通用技术条件》的要求；(2)在静强度载荷作用下，不锈钢车体结构的各个部件vonMises应力均小于相应的材料许用应力.该不锈钢车体结构静强度满足《BS EN 12663：2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies》的要求；(3)整备状态下不锈钢车体结构的整车一阶弯曲固有频率大于10 Hz，该不锈钢车体结构的固有频率符合设计规范的要求.因此，全自动驾驶地铁中间车车体结构的刚度、静强度和模态均满足相关要求.【相关文献】[1]王小杰, 李辉光, 梁炬星. B型不锈钢地铁车体结构设计及强度分析[J]. 科技资讯, 2014, 2014(9): 76-79.[2]李培, 孙丽萍. 地铁不锈钢车体强度分析及试验验证[J]. 内燃机车, 2011(4): 17-20.[3]杜健, 丁叁叁. 地铁不锈钢车体侧墙点焊结构优化[J]. 机车车辆工艺, 2010(3): 4-6.[4]谢素明, 穆伟, 高阳. 不锈钢点焊车体结构稳定性分析及局部焊点布局优化[J]. 大连交通大学学报, 2013, 34(4): 12-16.[5]刘婷婷, 刘海涛, 陈秉智. 不锈钢点焊地铁车车体结构稳定性分析[J]. 大连交通大学学报, 2013, 34(1): 6-9.[6]许晶晶. 不锈钢点焊结构车体模态分析[J]. 现代机械, 2011(4): 29-30,56.[7]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.。
某地铁车辆司机室车门的优化与强度分析
某地铁车辆司机室车门的优化与强度分析摘要：基于某城市轨道Tc车的车体结构，采用有限元分析方法，通过HyperMesh 软件建立车体有限元模型。
在计算阶段，按照EN12663-2010标准设置城轨车辆的载荷工况等参数，利用ANSYS软件对车体结构强度进行计算并校核。
经分析，优化之后的车体性能均满足要求，同时完成了车体轻量化，最终实现了新型城市轨道Tc车的车体结构优化设计。
关键词：城轨车辆；有限元分析；结构优化；强度计算1.引言我国城市轨道交通行业发展潜力巨大，如今我国正在大力推进城市轨道交通的研发、生产、运营、基建等多方面的发展方向，市场需求度大幅度提高[1]。
城市轨道交通更为民生所关注。
在城市轨道车辆的设计中，对车体结构的强度分析以及优化设计不仅关系到运行过程中的安全性和舒适性，还影响着铁路运营的经济效益[2][3]。
本文将优化设计理论贯穿全文，以某型城市轨道Tc车为研究对象进行司机室车门优化设计，寻找车体轻量化的最佳设计方法，为生产实际提供一定意义上的指导。
2.结构参数与模型车体结构材料与参数见表2.1，表2.2。
2.1车体结构材料表2.1车体结构材料2.2车体技术参数表2.2车体技术参数2.3仿真模型介绍在增大车门尺寸，减轻车体重量的同时，也要保证车体的静强度与疲劳强度符合要求。
为了满足结构强度现对车体提出3点结构改进1）增长横板长度；2）增加楔块厚度；3)提升横梁高度。
以上改进的目的是使横板1的力传递到横梁3上，避免应力集中。
增大厚度可以减小司机室门角处的应力。
3计算标准及对比分析3.1计算标准BS EN 12663-1:2010 Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodiesBS 7608:2014 Fatigue design and assessment of steel structures使用累计损伤方法进行疲劳寿命的评估，对于某个确定的焊缝及母材连接部位，取相应S-N曲线上1E7周期处的疲劳容许应力范围值如表3-1所示，根据公式3.1计算其累计损伤并叠加，小于1即满足疲劳强度要求。
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。
城市地铁车车体强度有限元分析及模态分析
城市地铁车车体强度有限元分析及模态分析随着我国城市化的发展，城市轨道交通的地位变得越来越重，具有高效、快捷、舒适、客运量大等优点的地铁已经成为城市轨道交通中最常见的一种。
然而，任何事物都是一把双刃剑，地铁为人们提供了方便，但一旦发生安全事故，其后果是无法想象的。
历史上有很多次地铁安全事故都源于车体强度问题和振动问题。
因而，对新设计的车体结构进行强度校核和模态分析具有显著的社会意义和经济意义。
地铁是城市轨道交通的一种，一般由车体、转向架、制动装置、风源系统、电气传动控制、辅助电源、通风、采暖与空调、内部装修及装备、车辆连接装置、受流装置、照明、自动监控系统等组成。
地铁车型往往被分为A、B、C三种型号，三种车型的主要区分是车体宽度，A型地铁列车：长22.8米，宽3米；B型地铁列车：长19米，宽2.8米；C型地铁列车：长19米，宽2.6米。
一般A型、B型车最常见，C型车一般比较少见，因其运输能力有限，在交通比较拥挤的城市无法容纳高峰客流。
本文的目的是在现有几何模型的基础上建立该地铁车车体的有限元模型并对车体进行强度分析和模态分析，了解在工况下车体的变形及应力情况，为检验设计是否符合标准提供依据。
通过模态分析可以了解车体部件的固有频率以确定出车体振动频率的危险频率段，从而可以确定车体在什么样的载荷下工作不会发生共振。
标签：地铁；车体强度；有限元分析1 引言本课题拟根据某城市地铁车车体的实际几何结构，在HyperMesh软件环境下建立与几何结构相符的中面模型，并在中面模型上进行网格划分，建立完整的有限元模型，然后根据相应的技术规范中的要求，在ANSYS软件中进行强度分析和模态分析计算。
结果显示，车体在相应静强度工况下应力分布较合理，最大应力不超过材料屈服极限，满足设计要求；模态分析得到车体一阶垂向振动频率为13.5575Hz，一阶扭振频率为18.1975Hz。
所得计算结果可以为工程设计人员提供理论指导。
2 计算模型本课题研究的某城市地铁车体是钢铝混合结构：车顶、侧墙、底架、端墙采用以型材为主要结构形式的铝合金材料，牵引梁、缓冲梁、枕梁采用高强度钢结构，钢结构与铝合金结构间通过铆钉相连。
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.。
一种轨道工程车转向架构架强度及模态分析
铁道技术监督RAILWAY QUALITY CONTROL 第47卷第6期Vol.47 No.6研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS一种轨道工程车转向架构架强度及模态分析张莎（宝鸡中车时代工程机械有限公司，陕西 宝鸡721003 ）摘 要：构架强度对轨道工程车辆的安全性、牵引力及运行品质有重要影响。
采用ANSYS Work- bench 有限元仿真软件，在超常载荷、模拟运营与模拟特殊运营载荷工况下，对一种轨道工程车转向架构 架进行静强度、疲劳强度评估计算与模态分析。
计算结果表明，构架静强度、疲劳强度及模态满足TB/T 2368—2005《动力转向架构架强度试验方法》和TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规 范》要求。
关键词：轨道工程车；转向架构架；有限元仿真；静强度；疲劳强度；模态中图分类号：U273 ： U270.12 文献标识码：A 文章编号：1006-9178 ( 2019 ) 06-0064-05Abstract : The frame strength has an important influence on the safety , traction and operation quality of track engi neering vehicles. By using ANSYS Workbench finite element simulation software , based on service conditions in ・ eluding overload , operation simulation and special operation load simulation , the static strength , fatigue strength evaluation & calculation and modal analysis are carried out for the bogie frame a type of track engineering vehicle. Ac cording to the calculation results , the static strength , fatigue strength and modality of the frame can meet TB/T 2368— 2005 Motive Power Units-Bogies and Running Gear-Bogie Frame Structure Strength Tests and TB/T 1335— 1996 Specification of S trength Design and Test Evaluation of R ailivay Vehicles.Keywords : Track Engineering Vehicle ; Bogie Frame; Finite Element Simulation ; Static Strength ; Fatigue Strength ; Modality0引言伴随国内铁路网建设迅速推进，铁路发展对 技术装备的需求也不断提高，其中质量稳定、安 全可靠是铁路技术装备的必须要求。
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关键 词
疲劳
地铁
模 态
北 京复八 线 车体 有 限元 Ｕ７． ２０ １ 文章 标志码 Ａ
静 强 度
式 中 ， 是 刚度 矩 阵 ， 是 位 移 向量 ， 是 载 荷 向 量 。 Ｆ
中 图分类 号
文章编 号
引入位移和载荷边 界条件 ， 对式 （ ） 成的大方程 １形 组求解 ， 即可求 出结构节点位 移 ， 进而通 过弹性 几何方
１ ２ 模 态 分 析 ．
用模态分析可以确定一个结构 的 固有频率和振型 ，
固有 频 率 和 振 型 是 承 受 动 态 载 荷 结 构 设 计 中 的 重 要 参
的要求 ， 因此 新造 地铁 车 辆均 安装 了空 调设 备 。北 京
复八 线 地 铁 服 役 较 早 ， 施 简 陋 ， 安 装 空 调 。为 了 提 设 未 高乘 客 乘 坐 的舒 适 性 ， 时 节 约 运 营 成 本 ， 京 交 通 大 同 北 学 与北 京 地 铁 运 营 有 限 公 司合 作 ， 原 车 体 进 行 结 构 对 改造 ， 以便 加 装 空 调 设 备 。改 造 方 案 由 双 方 共 同 协 商
程 和 物 理 方 程 可 求 出结 构 的 应 变 和 应 力 。
１７ ６ ７ （ ０ １ ０ — １ １ ０ ６ ２— ０ ３ ２ ｌ ） １ ０ ０ — ３
随 着 我 国经 济 的 快 速 发 展 和 城 市 化 进 程 的加 快 ， 各 大 城 市 已将 大 力 发 展 轨 道 交 通 作 为 促 进 城 市 可 持 续 发展 的 重要 手 段 。 在 城 市 轨 道 交 通 事 业 迎 来 高 速 发 展 时期 的 同 时 ， 客 对 乘 坐 的舒 适 性 和 安 全 性 也 有 更 高 旅
（ ．北京交通大学 机械与电子控制工程学院 ， １ 北京 １０ ４ ； ．国家知识产权专利审查 中心 ０ ０４ ２ １０ ９ ） ０ １０
摘
要 以 北 京 复 八 线 地 铁 加 装 空 调 后 的 车 体 结 构 为
１ 理论 基 础
１ １ 应 力 分 析 ． 有 限元法是 以变分 原 理为 基础 ， 将研 究对 象离 散 成有 限多个单元 体 ， 通过分析一组 代数方 法 ， 进而求 得
振 动 的方 程 为
Ｘ＝西ｅ Ｊ （） ４
生影响 。笔者 以改造后 的车体为研究对 象 ， 采用 有 限 元 分 析方法 ， 对车体结构进行静强度 、 疲劳强度及模 态
分析 。
收 稿 日期 ： ０ ０－ ４— ２ 修 回 日期 ： ０ ０— ５— ８ ２ １ ０ １ ２ １ ０ １
由式 （ ）式 （ ） ３ 、 ４ 可得
（ 一 Ｍ） ＝ Ｋ 西 ０ （） ５
自 由振 动 时 结 构 各 节 点 的 振 幅 不 全 为 零 ， 以 由 所
式（） ５ 得
Ｉ —Ｏ Ｍ Ｉ ０ Ｋ Ｊ ＝ （ ６）
作 者 简 介 ：占彦 ， ， 士研 究 生 ， 事 车 辆 结 构 强 度 研 究 ，８ ２ ８８ 女 硕 从 ０ １ １４ ＠ ｂｔ． ｄ ｎ ｊ ｅ ｕＣ ｕ 李强 ， ， 授 ， 士生 导 师 男 教 博
ＭＸ ＋ Ｘ ＝０ （ ３）
新造 的空调平 台焊接 到车顶 开窗 四周 ， 在连接 处设 并
置 补 强 板 。 空 调 安 装 在 空 调 平 台 上 ， 整 车 质 量 增 加 使 了约 １６ｔ这 将 对 车 体 的 动 力 学 性 能 及 结 构 强 度 产 ． ，
在 自由振动时 ， 结构上各 点作简谐 振动 ， 假设 简谐
近 似 值 。有 限元 静 力 分 析 的控 制 方 程 为
ＫＵ ＝Ｆ （） １
研 究对 象 ， 用有限元 分 析软 件 Ａ Ｓ Ｓ对 车体 结 构进 利 ＮＹ
行 有 限元分析 ， 其 进 行静 强 度计 算 和模 态分 析 。结 对 果 表 明， 装 空调后 的 车体 结 构 能 够 满足 强度 和 刚度 加
数。 模态 分析 的核 心 内容 是确 定结 构振 动的特 征值 问 题。对于一个 Ｎ 自由度线性 系统 ， 其运动微分方程为
ＭＸ ＋ＣＸ ＋ＫＸ ＝Ｆ （ ２）
式 中 ， 阵 Ｋ、 和 Ｃ 分 别 为 刚 度 矩 阵 、 量 矩 阵 和 阻 矩 Ｍ 质 尼矩 阵 ， 为 作 用 力 向 量 ， 、 和 分 别 为 位 移 向 量 、 Ｆ 速 度 向量 和加 速 度 向 量 。 由 于模 态 是 系 统 结 构 的 固有 特 性 ， 外 部 的 载 荷 与 条 件 无 关 ， Ｆ ＝ ， 忽 略 阻 尼 Ｃ 的 影 响 ， 到 无 阻尼 即 ０并 得
都 市 快 轨 交 通 ・第 ２ ４卷 第 １期 ２ １ ０ １年 ２月
《 机 电工 程
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ７ ６ ７ ． ０ １ ０ ． ２ ｏ ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ６ ２— ０ ３ ２ １ ． １０ ５ ｓ
地铁车体改造结构强度及模态分析
占 彦 李 强 王 刚２
而定 ， 北京交通 大学对 改造 后 的车体 结 构进 行强度 校 核， 随后北京地铁负责实施地铁 的改造工作 。
结 构 改 造 主 要 针 对 车 顶 进 行 。 每 节 车 预 备 安 装 ４个 空 调 ， 构 改 造 需 在 原 拱 形 车 顶 上 开 ４个 窗 ， 结 将
系统 的 自由振 动方程 为
和相 对 应 的 ｎ个 特 征 向 量 。其 中 ， ， ２ … ， 特 征 】（ ， 咖 ｂ
工 况 工 况 名称
式（） Ｂ ＮＲ Ｐ ＩＴ Ｎ ／ ０ Ｒ Ａ Ａ Ｉ Ｒ Ｌ Ｒ ＳＴ ＤＡ Ａ １ １
都市快轨交通 ・第２ ４卷 第 １ ２ １ 年 ２月 期 ０１
可知， 求解该问题可以求出 ｎ 个特征值 ｝ ｝ …， ， ，