铁路客车车体轻量化问题的研究XCARBO DY LIGHTENING PROBLEM STUDY OF RAILWAY PASSENGER CARS卢耀辉X X1,2曾京2邬平波2(1.西南交通大学工程科学研究院,成都610031)(2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031)LU YaoHu i ZENG Jing WU PingBo(1.Research School o f Engineering Secience,Southwest Jiaotong U niversity,Chengdu610031,China)(2.National Traction Po wer Laboratory,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China)摘要在车辆轻量化的过程中,车体承载结构的轻量化显得尤为重要。
车体承载结构的轻量化,要保证车体的强度、刚度和动态特性等满足提速客车的要求。
文中利用ANSYS软件建立25K型硬卧客车车体轻量化前后的有限元模型,计算车体的强度、刚度和模态,并对轻量化前后的车体作对比分析;然后,用NUCARS动力学分析软件建立25K型硬卧客车系统的数学模型,分析弹性振动对平稳性的影响,并就刚性车体模型和轻量化前后的弹性车体模型对平稳性和加速度响应的影响作对比分析。
关键词客车车体轻量化强度模态平稳性中图分类号U27011U27112U260111Abstract In the course of lightening of the vehicle,the ligh tening of car-body structure is very i mportant1The lightening design of vehicle should meet the requirement for the s trength,stiffness and dynamic performance of the car-body in the condition of raising train speed.ANSYS software was utilized to set up two finite element models of type-25K hard-berth passenger car-body before and after light-ening1The strength,stiffness and mode of car-body were calculated and compared for the two models1Then the dynamic model of the passenger car system using NUCARS dynamic software was set up1The effect of car-body elastic vibration on the ride comfort was ana-lyzed1The ride comfort and acceleration responses of the car system with rigid car-body model or elas tic car-body model were studied and compared1This work provides the theoretical foundation for the car-body lightening of speed up passenger cars1Key words Passenger car body;Lightening;Strength;Mode;Ride comfortCorrespon ding author:LU Yao H ui,E-ma il:smile-ly hs1student@sina1com1cn,Fa x:+86-28-87600868The project supported by the Key Project of Science and Technology of the Ministry of Education(No101150)and Education Plan for the Trans-Century Excellent Talents1Manuscript received20030807,in revi sed form2004032211引言随着铁路运输速度的提高,车辆的轻量化显得越来越重要,在客车的自重中,车体承载结构占有相当大的比重,因此,在车辆轻量化的过程中,车体承载结构的轻量化显得尤为重要。
随着我国国民经济的发展,铁路已进行了四次大提速,产生了良好的社会效益及巨大的经济效益。
由于提速客车数量大,涉及面广。
它的稍许改进效果都将十分明显,因此,其轻量化也更有意义,有利于提高我国铁路客车的总体技术水平,有利于铁路客运经济效益的提高,同时,对我国高速客车的轻量化设计也具有相当的指导意义[1]。
客车轻量化的意义在于降低原材料消耗,降低车辆的制造成本;节省牵引动力,降低列车的运行费用;减少车辆对线路的冲击及减轻线路维护工作量;提高车辆的启动加速度及制动减速度,提高列车的运行速度及曲线通过速度[1]。
提速客车轻量化后将带来刚度和强度问题、动态特性问题、舒适性和平稳性问题等。
下面将针对25K 型提速硬卧客车的车体轻量化问题进行研究。
2车体轻量化前后的有限元强度分析211车体有限元计算模型客车车体钢结构的有限元计算采用ANSYS软件进行,以半车车体作为研究对象,在对称边界上施加对称约束。
以轻量化前的车体为例,其具体结构及离散Journal of Mechanical Strength2005,27(1):099~103 XX X卢耀辉,男,1973年9月生,甘肃民勤人,汉族。
博士研究生,从事结构的疲劳强度及可靠性方面的研究。
20030807收到初稿,20040322收到修改稿。
教育部科技重点项目(01150)和跨世纪优秀人才培养计划资助。
图如图1(车体钢结构有限元模型)和图2(车体梁单元)所示。
在ANSYS 软件中,波纹地反、底架及侧墙板、车顶板、端墙板均用四边形板壳单元划分,侧墙纵向梁、上边梁、侧柱、车顶弯梁、车顶边梁、纵向梁以及端墙立柱、角柱等均用梁单元划分。
通过计算机自动离散及局部的人工干预,轻量化前的半车车体钢结构共离散成59472个节点,四边形和三角形板壳单元有54086个,梁单元有5342个;轻量化后的半车车体钢结构共离散成48295个节点,三角形和四边形板壳单元为42695个,梁单元为5382个。
图1 车体钢结构有限元模型Fi g 11 Finite element model of the s teel car body图2 车体梁单元Fig 12 Beam elements of the car body212 约束处理边界条件是,在每个心盘座处的节点上,一端心盘施加垂向约束W y =0,另二端心盘施W x =0、W y =0、W z =0来模拟上下心盘完全接触这种理想情况。
213 车辆基本作用载荷组合工况根据TB/T 1335)19965铁道车辆强度设计及试验鉴定规范6,对以下三种载荷工况进行计算:(1)垂直静载荷工况(第一工况),模拟运用载荷工况:整车垂直均布载荷按车体自重、载重以及整备重量考虑,以均布压力的方式作用在地板面下的纵横梁上。
轻量化前的车体所施加的垂直静载荷为38164t,轻量化后的车体所施加的垂直静载荷为34155t 。
(2)垂直总载荷和纵向120t 的压缩载荷的组合工况(第二工况):垂直总载荷以均布压力的方式作用在地板面下的纵横梁上,纵向压缩载荷120t 沿车钩中心线作用于车辆的后从板座上。
轻量化前的车体所施加的垂直总载荷为48t,轻量化后的车体所施加的垂直静载荷为4317t 。
(3)垂直总载荷和纵向100t 拉力组合工况(第三工况):垂直总载荷以均布的方式作用在地板面下的纵横梁上,100t 的纵向拉力以均布压力的方式作用在前从板座上。
(4)扭转载荷40kN #m ,由于采用半车模型,在对称边界上约束条件为反对称约束,与其他载荷在对称边界上约束条件为对称约束不同,在计算时单独考察对车体强度的影响[2]。
214 计算许用应力材料的许用应力用材料的屈服强度R s 与安全系数s 的商计算。
轻量化前设计中车体钢结构材料主要选用耐候钢(09CuPCrNi)和普通碳素钢(Q235A),轻量化后设计中车体钢结构材料主要选用耐候钢(09CuPCrNi)和低合金钢(Q345B),根据TB/T 1335)19965铁道车辆强度设计及试验鉴定规范6,普通碳素钢的许用应力为164MPa,耐候钢的许用应力为184MPa,低合金钢的许用应力为216MPa;轻量化后波纹地板选用高强度的不锈钢(0Cr18Ni H ),许用应力为394MPa 。
TB/T 1335)19965铁道车辆强度设计及试验鉴定规范6规定,计算复杂应力构件时需求当量应力(von Mises 应力),此应力不得超过材料的许用应力。
215 车体轻量化前后的强度结果分析计算所给出的应力值都是按第四强度理论计算的等效应力。
轻量化前后车体各工况的计算结果统计比较如表1和表2所示,车体有限元强度的计算结论为:1)轻量化前,车体钢结构在静载荷作用下的最大相对位移为10195mm,发生在底架中央的横梁上,侧梁中央的最大相对位移为316mm ,轻量化前的扭转刚度为G J p =9012@1013N #mm 2/rad;轻量化后,车体钢结构在静载荷作用下的最大相对位移为13107mm,发生在底架中央的横梁上,侧梁中央的最大相对位移为5109mm ,轻量化后的扭转刚度为GJ p =10810@1013N #mm 2/rad 。
从整体来看,车体的弯曲和扭转刚度足够。
2)轻量化前,扭转载荷作用下,车体的最大当量应力为121121MPa,发生在枕梁下盖板上,其他部位的应力很小;轻量化后,扭转载荷作用下,车体的最大当量应力为12135MPa,发生在枕梁下盖板上,其他部位的应力很小。
相对组合工况的最大应力,扭转载荷作用100机 械 强 度2005年下的应力可以忽略不计。
3)TB/T1335)19965铁道车辆强度设计及试验鉴定规范6所规定的计算工况中,考虑垂向静载荷、垂向动载荷和车钩拉伸或压缩等各种载荷的组合作用。
轻量化前,最大当量应力小于低碳钢在第一工况下许用应力为164MPa的标准和耐候钢184MPa的许用应力标准;轻量化后,波纹地板的局部最大当量应力2411503MPa,未超出第一工况下0Cr18NiH材料394 MPa的许用应力标准,其他部位的应力也小于低合金钢在第一工况下许用应力216MPa的标准和耐候钢184MPa的许用应力标准。