摘 要：輕量化這一概念最先起源于賽車運動，它的優(yōu)勢其實不難理解，重量輕了，可以帶來更好的操控性，發(fā)動機輸出的動力能夠產(chǎn)生更高的加速度。由于車輛輕，起步時加速性能更好。文章發(fā)表在《黨史博采》上，是車輛管理論文發(fā)表范文，供同行參考。

　　關(guān)鍵詞：城市軌道車輛,不銹鋼車體,有限元分析

　　隨著“節(jié)能環(huán)保”越來越成為了廣泛關(guān)注的話題，輕量化也廣泛應(yīng)用到普通汽車領(lǐng)域，在提高操控性的同時還能有出色的節(jié)油表現(xiàn)。汽

　　為提高不銹鋼車輛設(shè)計和制造水平，利用 MSC.Patran/Nastran有限元軟件，結(jié)合天津津濱城市軌道不銹鋼動車的車體結(jié)構(gòu)，建立了該車體結(jié)構(gòu)的有限元模型，進行強度計算和模態(tài)分析，以檢驗車體設(shè)計的合理性及車體結(jié)構(gòu)強度是否達到設(shè)計要求，為進行車體碰撞分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供可靠依據(jù)。本文由教育大論文下載中心WwW.JiaoYuDa.CoM整理

　　1 輕量化不銹鋼車輛主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點

　　所研究的車輛為 B 型鼓形整體承載焊接輕量化車體結(jié)構(gòu)，車輛總體主要參數(shù)見表1，車體主要部件使用的材料及其性質(zhì)見表2。

　　該車體主體結(jié)構(gòu)(圖1)由底架、側(cè)墻、車頂、端墻和司機室骨架組成。輕量化不銹鋼車體結(jié)構(gòu)與耐候鋼車體一樣，也是采用板梁組合整體承載全焊結(jié)構(gòu)，但使用的板材更薄(車體外板厚 1.5 mm，梁柱厚0.8～4 mm)，因此須采用大量薄板(一般為 0.8 mm)軋壓成波紋狀加強筋板與外板點焊連接形成空腔,　用來抵抗剪力引起的翹曲。

　　由于點焊接頭的強度低，接頭部位強度難以滿足要求，故不銹鋼車體結(jié)構(gòu)中骨架連接部位采用連接板連接。通過這種連接板連接方式不僅可以保證接頭的強度，而且可以減小連接處的變形，保證車體的外觀美[1]。

　　2 有限元模型和載荷工況

　　2.1 有限元模型的建立

　　根據(jù)該車體的結(jié)構(gòu)特點，采用MSC.Patran 前處理軟件建立車體的有限元模型。

　　由于車體結(jié)構(gòu)和載荷基本為縱向?qū)ΨQ，因此，取車體的 1/2 進行分析。為避免開口梁單元應(yīng)力失真，車頂、側(cè)墻、端墻、底架、司機室立柱均用高精度的殼單元 PS H E LL。側(cè)門框的加強槽鐵則用實體單元PSOLID。螺栓連接的地方均用剛性約束單元 RBE2 。

　　計算扭轉(zhuǎn)工況和模態(tài)分析時取整車作為計算模型。

　　2.2 載荷工況

　　參照標(biāo)準(zhǔn)[2]，確定表3中的7種工況進行計算。該車體采用空氣彈簧，因此，動載荷系數(shù) k取1.1[3]。

　　2.3 計算載荷和邊界條件的處理

　　有限元模型的載荷位置、大小、方式根據(jù)實際載荷情況并參照標(biāo)準(zhǔn)[2]進行處理。車體鋼結(jié)構(gòu)重量通過施加慣性力得到體現(xiàn)，重力加速度為 9.8 m/s2 ;車體除鋼結(jié)構(gòu)外的其他重量及超員重量是取一半以均布壓力的形式施加在地板上，垂向空載時地板均布力為2.79 kN/m2，垂向總載時地板均布力為6.29 kN/m2 ;該車有 2 個空調(diào)機組，每個空調(diào)機組的重量均勻分布在空調(diào)機組安裝座上，空調(diào)均布載荷為 13 kN/m2 ;縱向載荷為集中載荷，取一半施加在牽引梁上車鉤安裝位置，拉伸載荷為 320 kN，壓縮載荷為 400 kN ;扭轉(zhuǎn)載荷40 kN/m 施加在邊梁頂車位上。

　　3 計算結(jié)果分析

　　3.1 應(yīng)力分析

　　對于材料的許用應(yīng)力，參考了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2～5]，并結(jié)合該不銹鋼車體的特點，確定了不同工況下的安全系數(shù)。對只承受垂直載荷的工況安全系數(shù)取1.3，許用應(yīng)力為材料的屈服極限除以安全系數(shù);對既有垂直載荷又有縱向載荷的工況安全系數(shù)取1.1，許用應(yīng)力為材料的屈服極限除以安全系數(shù) ;扭轉(zhuǎn)工況的安全系數(shù)取1.3，許用應(yīng)力為對稱循環(huán)疲勞極限除以安全系數(shù)。各工況下材料的許用應(yīng)力值見表4。

　　垂直總載工況下，司機室骨架的最大應(yīng)力 39.1 MPa，發(fā)生在司機側(cè)門和車頂連接處。端部底架的最大應(yīng)力 1 4 1 MPa，發(fā)生在內(nèi)層下邊梁和側(cè)墻的焊接處。波紋地板的最大應(yīng)力 3 2 7 MPa，發(fā)生在二位端靠近側(cè)墻與底架小橫梁連接處。底架橫梁最大應(yīng)力 237 MPa，發(fā)生在二位端第一根橫梁和側(cè)墻連接處。門框的最大應(yīng)力 213 MPa，發(fā)生在后側(cè)門門角處。可以看出車體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)(圖2)。

　　3.2 剛度分析

　　在垂直總載工況下，計算得到側(cè)墻下邊梁相對轉(zhuǎn)向架支撐點的最大撓度值為 9.9 mm，小于 12.6 mm(標(biāo)準(zhǔn)[3]要求“在最大垂直載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離的 1‰”)。按照標(biāo)準(zhǔn)[3]中的計算公式得出彎曲剛度 EJ 為3.99 ×108 N/m2　，車體的相對扭轉(zhuǎn)角 Φ為3.73 ×10-3 rad;相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度 GJp 為 1.35 × 108 Nm2/rad。

　　該車體有限元計算的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度比國內(nèi)其他城市軌道 交通 B 型車的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度要小一些。其原因一方面是不銹鋼的彈性模量只有鋼的 85%，另一方面是受車體斷面尺寸的影響，側(cè)門寬度大，而上門框到車平頂板距離只有 300 mm。

　　3.3 模態(tài)分析

　　為避免車體模態(tài)與轉(zhuǎn)向架固有頻率過于接近而產(chǎn)生共振，引起輪軌間作用力劇增，降低乘坐舒適性，危及行車安全，需對車體進行模態(tài)分析。計算時不對車體施加任何約束，利用 M S C . N A S T R A N 提供的運動自由度邊界條件，消除無約束剛度矩陣的奇異。前6階振動頻率如表5所示。通過與國內(nèi)其他地鐵和輕軌的自振頻率比較，結(jié)果基本一致，滿足使用要求。

　　4 計算與試驗結(jié)果的比較

　　4.1 強度比較

　　四方車輛研究所給出了天津快軌車輛車體靜強度試驗結(jié)果，但由于該試驗的合成工況1及合成工況2都是按照 1.1 倍的垂向空車靜載荷與縱向載荷合成的，所以無法比較合成工況下的應(yīng)力。另外，試驗結(jié)果絕大多數(shù)給的是測量點的單向應(yīng)力。表6列出了同位置、同方向的有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果。

　　從表6可看出在相同的位置對同方向應(yīng)力進行比較，計算結(jié)果和試驗結(jié)果有所不同，但其趨勢是一樣的。

　　4.2 剛度比較

　　在垂直總載情況下，試驗得到車體中心的最大撓度為 10.1 mm，計算相當(dāng)彎曲剛度為3.91×108Nm2，計算相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度為1.30×108 Nm2/rad。測試結(jié)果表明計算結(jié)果和試驗基本吻合。

　　5 結(jié)論和建議

　　(1)使用殼單元模擬車體的鋼梁結(jié)構(gòu)，用剛性單元形成的約束方程模擬點焊和螺栓的有限元方法能較好反映輕量化不銹鋼車體結(jié)構(gòu)特點。

　　(2)計算結(jié)果表明該輕量化不銹鋼車體的強度和剛度可以滿足使用要求，強度和剛度的計算結(jié)果和試驗結(jié)果趨勢基本相同。

　　社科論文投稿推薦：《黨史博采》創(chuàng)刊于2005年，經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)，由中共河北省委黨史研究室主管，中共河北省委黨史研究室、河北省中共黨史學(xué)會主辦的黨史研究刊物。本刊以馬列主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導(dǎo)，全面貫徹黨的教育方針和“雙百方針”

　　參考文獻

　　1 姚曙光，許平.　輕型不銹鋼車體結(jié)構(gòu)研究.　城市軌道交通研究，2004(5)

　　2 TB/T1335-1996　鐵道車輛強度計算及試驗鑒定規(guī)范

　　3 GB/T7928-2003　地鐵車輛通用技術(shù)條件