摘 要：轻量化这一概念最先起源于赛车运动，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻，起步时加速性能更好。文章发表在《党史博采》上，是车辆管理论文发表范文，供同行参考。
关键词：城市轨道车辆,不锈钢车体,有限元分析
随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，轻量化也广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。汽
为提高不锈钢车辆设计和制造水平，利用 MSC.Patran/Nastran有限元软件，结合天津津滨城市轨道不锈钢动车的车体结构，建立了该车体结构的有限元模型，进行强度计算和模态分析，以检验车体设计的合理性及车体结构强度是否达到设计要求，为进行车体碰撞分析和结构优化研究提供可靠依据。本文由教育大论文下载中心WwW.JiaoYuDa.CoM整理
1 轻量化不锈钢车辆主要参数和结构特点
所研究的车辆为 B 型鼓形整体承载焊接轻量化车体结构，车辆总体主要参数见表1，车体主要部件使用的材料及其性质见表2。
该车体主体结构(图1)由底架、侧墙、车顶、端墙和司机室骨架组成。轻量化不锈钢车体结构与耐候钢车体一样，也是采用板梁组合整体承载全焊结构，但使用的板材更薄(车体外板厚 1.5 mm，梁柱厚0.8～4 mm)，因此须采用大量薄板(一般为 0.8 mm)轧压成波纹状加强筋板与外板点焊连接形成空腔, 用来抵抗剪力引起的翘曲。
由于点焊接头的强度低，接头部位强度难以满足要求，故不锈钢车体结构中骨架连接部位采用连接板连接。通过这种连接板连接方式不仅可以保证接头的强度，而且可以减小连接处的变形，保证车体的外观美[1]。
2 有限元模型和载荷工况
2.1 有限元模型的建立
根据该车体的结构特点，采用MSC.Patran 前处理软件建立车体的有限元模型。
由于车体结构和载荷基本为纵向对称，因此，取车体的 1/2 进行分析。为避免开口梁单元应力失真，车顶、侧墙、端墙、底架、司机室立柱均用高精度的壳单元 PS H E LL。侧门框的加强槽铁则用实体单元PSOLID。螺栓连接的地方均用刚性约束单元 RBE2 。
计算扭转工况和模态分析时取整车作为计算模型。
2.2 载荷工况
参照标准[2]，确定表3中的7种工况进行计算。该车体采用空气弹簧，因此，动载荷系数 k取1.1[3]。
2.3 计算载荷和边界条件的处理
有限元模型的载荷位置、大小、方式根据实际载荷情况并参照标准[2]进行处理。车体钢结构重量通过施加惯性力得到体现，重力加速度为 9.8 m/s2 ;车体除钢结构外的其他重量及超员重量是取一半以均布压力的形式施加在地板上，垂向空载时地板均布力为2.79 kN/m2，垂向总载时地板均布力为6.29 kN/m2 ;该车有 2 个空调机组，每个空调机组的重量均匀分布在空调机组安装座上，空调均布载荷为 13 kN/m2 ;纵向载荷为集中载荷，取一半施加在牵引梁上车钩安装位置，拉伸载荷为 320 kN，压缩载荷为 400 kN ;扭转载荷40 kN/m 施加在边梁顶车位上。
3 计算结果分析
3.1 应力分析
对于材料的许用应力，参考了相关标准[2～5]，并结合该不锈钢车体的特点，确定了不同工况下的安全系数。对只承受垂直载荷的工况安全系数取1.3，许用应力为材料的屈服极限除以安全系数;对既有垂直载荷又有纵向载荷的工况安全系数取1.1，许用应力为材料的屈服极限除以安全系数 ;扭转工况的安全系数取1.3，许用应力为对称循环疲劳极限除以安全系数。各工况下材料的许用应力值见表4。
垂直总载工况下，司机室骨架的最大应力 39.1 MPa，发生在司机侧门和车顶连接处。端部底架的最大应力 1 4 1 MPa，发生在内层下边梁和侧墙的焊接处。波纹地板的最大应力 3 2 7 MPa，发生在二位端靠近侧墙与底架小横梁连接处。底架横梁最大应力 237 MPa，发生在二位端第一根横梁和侧墙连接处。门框的最大应力 213 MPa，发生在后侧门门角处。可以看出车体的结构应力都在许用应力范围之内(图2)。
3.2 刚度分析
在垂直总载工况下，计算得到侧墙下边梁相对转向架支撑点的最大挠度值为 9.9 mm，小于 12.6 mm(标准[3]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‰”)。按照标准[3]中的计算公式得出弯曲刚度 EJ 为3.99 ×108 N/m2 ，车体的相对扭转角 Φ为3.73 ×10-3 rad;相当扭转刚度 GJp 为 1.35 × 108 Nm2/rad。
该车体有限元计算的弯曲刚度和扭转刚度比国内其他城市轨道 交通 B 型车的弯曲刚度和扭转刚度要小一些。其原因一方面是不锈钢的弹性模量只有钢的 85%，另一方面是受车体断面尺寸的影响，侧门宽度大，而上门框到车平顶板距离只有 300 mm。
3.3 模态分析
为避免车体模态与转向架固有频率过于接近而产生共振，引起轮轨间作用力剧增，降低乘坐舒适性，危及行车安全，需对车体进行模态分析。计算时不对车体施加任何约束，利用 M S C . N A S T R A N 提供的运动自由度边界条件，消除无约束刚度矩阵的奇异。前6阶振动频率如表5所示。通过与国内其他地铁和轻轨的自振频率比较，结果基本一致，满足使用要求。
4 计算与试验结果的比较
4.1 强度比较
四方车辆研究所给出了天津快轨车辆车体静强度试验结果，但由于该试验的合成工况1及合成工况2都是按照 1.1 倍的垂向空车静载荷与纵向载荷合成的，所以无法比较合成工况下的应力。另外，试验结果绝大多数给的是测量点的单向应力。表6列出了同位置、同方向的有限元计算结果和试验结果。
从表6可看出在相同的位置对同方向应力进行比较，计算结果和试验结果有所不同，但其趋势是一样的。
4.2 刚度比较
在垂直总载情况下，试验得到车体中心的最大挠度为 10.1 mm，计算相当弯曲刚度为3.91×108Nm2，计算相当扭转刚度为1.30×108 Nm2/rad。测试结果表明计算结果和试验基本吻合。
5 结论和建议
(1)使用壳单元模拟车体的钢梁结构，用刚性单元形成的约束方程模拟点焊和螺栓的有限元方法能较好反映轻量化不锈钢车体结构特点。
(2)计算结果表明该轻量化不锈钢车体的强度和刚度可以满足使用要求，强度和刚度的计算结果和试验结果趋势基本相同。
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参考文献
1 姚曙光，许平. 轻型不锈钢车体结构研究. 城市轨道交通研究，2004(5)
2 TB/T1335-1996 铁道车辆强度计算及试验鉴定规范
3 GB/T7928-2003 地铁车辆通用技术条件
