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摘要：以地铁车体为研究对象，应用Hypermesh软件建立了车体有限元模型，依据标准规定利用ANSYS软件进行了静强度有限元计算和模态分析。结果表明，该车体结构能够满足强度、刚度及模态的相关标准，为其进一步优化改进提供了参考依据。
关键词：车体；有限元分析；静强度；模态
中图分类号：TP854.4 文獻标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-396-01
1 前言
车体是车辆的主要承载部分，也是其他部件的安装基础，其结构设计是否合理直接影响车辆在工作状态下的安全可靠性以及乘坐环境的舒适性。因此，车体结构设计时不仅要满足车辆总体布置的要求，而且车体钢结构要具有足够的强度和刚度，满足相关技术标准【1】。
校核车体强度主要采用试验方法，即在车体钢结构上贴应变片进行静力试验，此方法耗时、费力。随着有限元仿真技术的成熟，在产品设计阶段可以依靠仿真分析指导设计，缩短设计周期，降低生产成本【2】。
车体有限元分析的一般过程是：建立有限元分析模型、求解和计算结果分析。本文以地铁车体为研究对象，通过有限元软件对该车体进行了静强度计算及模态分析，以验证其结构是否满足设计要求，并为车体的进一步优化提供依据。
2车体有限元模型及载荷工况
2.1建立车体有限元模型
该地铁车体采用无中梁的薄壁筒形整体承载结构，由侧墙、端墙、车顶和底架组成。建立有限元模型时，凡是对该车整体刚度及局部强度有贡献的结构都予以考虑。利用Hypermesh软件，主要采用壳单元对车体结构进行离散，在某些约束及载荷位置采用刚性元及质量单元模拟。模型如图1所示，共生成260491个节点，330575个单元。
图1 车体有限元模型
2.2约束设置
依据不同工况下车体的受力情况，在模型中施加相应的纵向、垂向、横向位移约束，以限制车体的刚性移动。
2.3确定载荷工况
为了考察该地铁车体的强度和刚度，根据车辆在使用过程中的实际情况，依据EN12663-2010《铁路应用-铁路车辆车体结构要求》确定各计算载荷和工况，如表1所示。
表1 载荷工况
序号 工况描述 载荷
1 垂向载荷 垂向载荷AW0
2 垂向载荷AW3
3 垂向载荷1.3*AW3
4 组合工况 垂向载荷AW3 + 纵向800kN压缩载荷
5 垂向载荷AW3 + 纵向600kN拉伸载荷
6 吊车工况 1.1*（AW0 +2台转向架质量）
7 复轨工况 1.1*（AW0 +1台转向架质量）
8 三点支撑 1.1*（AW0 +1台转向架质量）
3计算结果分析
3.1刚度计算结果分析
根据GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》要求，在最大垂直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‰。工况3中，车体底架边梁中心线垂向最大挠度为7.8mm，而两转向架支撑点之间的距离为12600mm，所以车体刚度满足要求。
3.2强度计算结果分析
工况1至工况3主要考察车体结构在垂直载荷下的力学行为。这三种工况下，车体的应力分布状态较为相似，最大应力均出现在枕内侧门上角，工况3的最大应力93.8MPa，如图2所示。
工况4至工况5主要考察车体在连挂时的力学行为。工况4下，最大应力108.9MPa，出现在枕外侧门上角，如图3所示；工况5下，最大应力74.7MPa，出现在枕内侧门上角。这两种工况下，牵引梁变截面处及车钩梁端部也出现了高应力，但相比于材料的许用应力余量较大。
工况6至工况8主要考察车辆检修时转向架质量对车体结构的影响。最大应力均出现在枕外侧门上角，未超过材料的许用应力，但安全余量较小。
上述八种工况下，车体结构的计算应力均小于材料的许用应力，但某些工况下出现了高应力区域，如门角处，需要予以局部补强，以求降低其应力水平。
图2 工况3车体应力云图 图3 工况4车体应力云图
3.3模态计算结果分析
根据TB3115-2005《机车车辆动力学性能台架试验方法》规定，整备状态下车体的一阶垂向弯曲自振频率不低于10 Hz。整备状态车体的质量比车体钢结构重很多，所以整备车体的一阶垂直弯曲振动的固有频率要比车体钢结构低。
该地铁车体钢结构的固有模态计算结果如图4所示，其一阶垂向弯曲频率为18.7Hz。模态分析时车体钢结构有限元模型质量为7.5吨，该车体整备质量21吨。对比分析可知，整备后车体的固有频率大约下降为计算频率的0.6倍。即整备状态下车体一阶垂向弯曲的固有频率约为11.2Hz，满足要求。
图4 车体钢结构一阶垂向弯曲模态
4结论
通过对地铁车体结构的有限元计算分析结果表明：该车体结构的强度、刚度、模态均满足标准要求。此外，该结果可以作为设计依据，为结构的进一步优化提供指导，从而使结构布局及材料选择更为合理。
参考文献
1.孙丽萍，刘可心，刘岩等.铁路客车车体结构参数化分析[J] .大连交通大学学报，2011，32（3）：7-10
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，2011，4：17-19
3.EN 12663-1 铁路应用-铁路车辆车体结构要求-第1部分：机车和客运车辆[S].英国标准协会，2010
4.GB/T 7928-2003地铁车辆通用技术条件[S].中华人民共和国铁道部，2003
5.TB/T 3115-2005机车车辆动力学性能台架试验方法[S].中华人民共和国铁道部，2005
关键词：车体；有限元分析；静强度；模态
中图分类号：TP854.4 文獻标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-396-01
1 前言
车体是车辆的主要承载部分，也是其他部件的安装基础，其结构设计是否合理直接影响车辆在工作状态下的安全可靠性以及乘坐环境的舒适性。因此，车体结构设计时不仅要满足车辆总体布置的要求，而且车体钢结构要具有足够的强度和刚度，满足相关技术标准【1】。
校核车体强度主要采用试验方法，即在车体钢结构上贴应变片进行静力试验，此方法耗时、费力。随着有限元仿真技术的成熟，在产品设计阶段可以依靠仿真分析指导设计，缩短设计周期，降低生产成本【2】。
车体有限元分析的一般过程是：建立有限元分析模型、求解和计算结果分析。本文以地铁车体为研究对象，通过有限元软件对该车体进行了静强度计算及模态分析，以验证其结构是否满足设计要求，并为车体的进一步优化提供依据。
2车体有限元模型及载荷工况
2.1建立车体有限元模型
该地铁车体采用无中梁的薄壁筒形整体承载结构，由侧墙、端墙、车顶和底架组成。建立有限元模型时，凡是对该车整体刚度及局部强度有贡献的结构都予以考虑。利用Hypermesh软件，主要采用壳单元对车体结构进行离散，在某些约束及载荷位置采用刚性元及质量单元模拟。模型如图1所示，共生成260491个节点，330575个单元。
图1 车体有限元模型
2.2约束设置
依据不同工况下车体的受力情况，在模型中施加相应的纵向、垂向、横向位移约束，以限制车体的刚性移动。
2.3确定载荷工况
为了考察该地铁车体的强度和刚度，根据车辆在使用过程中的实际情况，依据EN12663-2010《铁路应用-铁路车辆车体结构要求》确定各计算载荷和工况，如表1所示。
表1 载荷工况
序号 工况描述 载荷
1 垂向载荷 垂向载荷AW0
2 垂向载荷AW3
3 垂向载荷1.3*AW3
4 组合工况 垂向载荷AW3 + 纵向800kN压缩载荷
5 垂向载荷AW3 + 纵向600kN拉伸载荷
6 吊车工况 1.1*（AW0 +2台转向架质量）
7 复轨工况 1.1*（AW0 +1台转向架质量）
8 三点支撑 1.1*（AW0 +1台转向架质量）
3计算结果分析
3.1刚度计算结果分析
根据GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》要求，在最大垂直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‰。工况3中，车体底架边梁中心线垂向最大挠度为7.8mm，而两转向架支撑点之间的距离为12600mm，所以车体刚度满足要求。
3.2强度计算结果分析
工况1至工况3主要考察车体结构在垂直载荷下的力学行为。这三种工况下，车体的应力分布状态较为相似，最大应力均出现在枕内侧门上角，工况3的最大应力93.8MPa，如图2所示。
工况4至工况5主要考察车体在连挂时的力学行为。工况4下，最大应力108.9MPa，出现在枕外侧门上角，如图3所示；工况5下，最大应力74.7MPa，出现在枕内侧门上角。这两种工况下，牵引梁变截面处及车钩梁端部也出现了高应力，但相比于材料的许用应力余量较大。
工况6至工况8主要考察车辆检修时转向架质量对车体结构的影响。最大应力均出现在枕外侧门上角，未超过材料的许用应力，但安全余量较小。
上述八种工况下，车体结构的计算应力均小于材料的许用应力，但某些工况下出现了高应力区域，如门角处，需要予以局部补强，以求降低其应力水平。
图2 工况3车体应力云图 图3 工况4车体应力云图
3.3模态计算结果分析
根据TB3115-2005《机车车辆动力学性能台架试验方法》规定，整备状态下车体的一阶垂向弯曲自振频率不低于10 Hz。整备状态车体的质量比车体钢结构重很多，所以整备车体的一阶垂直弯曲振动的固有频率要比车体钢结构低。
该地铁车体钢结构的固有模态计算结果如图4所示，其一阶垂向弯曲频率为18.7Hz。模态分析时车体钢结构有限元模型质量为7.5吨，该车体整备质量21吨。对比分析可知，整备后车体的固有频率大约下降为计算频率的0.6倍。即整备状态下车体一阶垂向弯曲的固有频率约为11.2Hz，满足要求。
图4 车体钢结构一阶垂向弯曲模态
4结论
通过对地铁车体结构的有限元计算分析结果表明：该车体结构的强度、刚度、模态均满足标准要求。此外，该结果可以作为设计依据，为结构的进一步优化提供指导，从而使结构布局及材料选择更为合理。
参考文献
1.孙丽萍，刘可心，刘岩等.铁路客车车体结构参数化分析[J] .大连交通大学学报，2011，32（3）：7-10
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，2011，4：17-19
3.EN 12663-1 铁路应用-铁路车辆车体结构要求-第1部分：机车和客运车辆[S].英国标准协会，2010
4.GB/T 7928-2003地铁车辆通用技术条件[S].中华人民共和国铁道部，2003
5.TB/T 3115-2005机车车辆动力学性能台架试验方法[S].中华人民共和国铁道部，2005