高速动车组车体结构断面刚度特性探讨

高速动车组车体结构断面刚度特性探讨

蒋慧珍

中车青岛四方机车车辆股份有限公司    山东青岛   266000

摘要：高铁车体结构断面刚度，可以在软件平台上提取断面几何信息，从而实现断面几何特性计算和输出，进而获取具体断面几何参数和刚度信息。以动车组车体作为研究对象，可以分析不同车体和断面抗弯性能，所以应当讨论影响断面的刚度因素，找出具体变化规律，为车体刚度设计提供可靠依据。

关键词：高速动车组；车体结构；断面刚度；特性

随着高速铁路的快速发展，动车组列车不断增加，目前的车体主要是全承载式的铝合金结构，这种车体有底架、侧墙、车顶、端墙、司机室等部分构成。各组成部分都是由大型的铝合金挤压型材拼焊而成，所以各组成部分间使用焊接方式连接，这种车体承载了动车组运行中的所有载荷，对动车组来讲车体的刚度特性和性能会直接地影响车体安全性、可靠性、舒适性。在进行车体设计、分析、试验时，应当严格要求超员工况下的垂向和最大变形情况，不能超过车辆定距1‰。由于车体刚度是一个性能指标，也是进行仿真分析和试验需要重点考虑的问题，一旦发现车体的垂向刚度不符合要求，无法通过局部修改提升整体刚度，关于这个方面虽然有许多的设计人员进行了研究，而且也做了大量的计算和分析，同时也研究了刚度和协调设计方法，以车身的平稳性作为指标来评估车体刚度，进而分析连接方式对车体和设备平稳性的影响。目前在车体刚度方面的研究，大多是以仿真分析作为基础，以计算结果来指导设计，不仅能够明确断面抗弯刚度，也可以得到车体不同断面抗弯性能，有效地缩短了设计周期。

1车体刚度的影响因素分析

高速动车组车体是大型的铝合金型材，通过焊接成为筒形结构，这种结构的整体承载能力较强。当车体材料和周边支撑条件被确定以后，截面惯性矩决定了车体弯曲刚度。

2车体断面的刚度情况分析

根据基本原理，可以计算出车体任意断面，还要惯性矩的相关信息，为了便于后续设计和分析，可以在ANSYS软件平台上进行，利用程序模块快速地获取断面几何面积和形心坐标，还要惯性矩和惯性积，以及形心主惯性矩等信息。首先是提取几何断面，还有剪切中心和翘曲常数，以及扭转常数等信息。其次，使用二次开发程序，分析车体断面刚度。在实际操作中，分析的基本流程有以下几个方面。第一，创建或者是导入几何模型，然后对模型进行简化处理。第二，切分车体，并获取不同位置的断面几何。第三，定义单元类型和网格尺寸，划分车体几何断面。第四，计算车体断面的几何特性。

3高速动车组的车体断面刚度情况分析

通过对断面刚度特性分析，可以了解动车组的车体断面刚度基本特性，这样可以帮助提高断面刚度，同时提出几点特性原则，提供给设计人员进行参考。在具体分析过程，头车一般选取司机室门断面和车窗断面，还有车体完整断面和客室门断面，以及客室小窗断面的几处，然后对不同位置进行切割。而中间车由于在车顶布置了受电弓和空调等设备，所以分别选取了客室门断面和平顶车窗断面，以及车窗断面和车体完整断面，还有空调设备断面等几个车体断面进行了分析。通过分析程序绘制了不同截面和详细形状，这样就可以计算出头车和车体的断面特性。之后结合实际断面情况，分析车体的横断面，以及缺少车窗的部分，比于完整的断面面积要少一些，通常情况下大概在10%左右，而车体的横断面就是缺少车门的部分，相对于完整的断面面积也会减少，但是程度要比缺少车窗的要多，大概在30%左右。由此可见车体的侧墙开了车门以后，断面的抗弯能力会减半。在车体的侧墙开车窗，或者是车顶开了空调口，相比于完整的断面，面积大概会减少25%左右。那么在车体的侧墙开车门，而且还在车顶开空调口，这种情况相对比于完整的断面，面积会减少35%左右。此时断面的惯性矩就会被严重地降低，从而导致侧门的门角成为强度薄弱的区域。车门的空调断面相比于车门断面，面积通常会减少10%左右，由于组合图形可以利用平行移轴定理，同时结合了叠加法计算方式，就可以知道形心轴的惯性矩原理，因此空调的开口不是简单的地削弱刚度，而开口的大小可以决定车顶两部分的偏移距离。车门的空调断面与车窗的空调断面相比面积减少15%左右，所以很大程度地提升了断面形心纵坐标，从而有助于保持和增加车体刚度。通过对车体情况的分析，可以明确车体的横断面，如果缺少了车窗部分，那么面积就会减少12%左右，如果在车体的侧墙开车窗，那么车顶电弓时，相比于完整的断面面积会减少8%左右。如果是车体的侧墙开车门，而车顶受电弓时，相比于完整的断面面积会减少34%左右，这种情况下断面惯性矩会严重地降低，从而导致侧门的门角区域是强度薄弱区域。车体断面了开空调口时，面积就会减少15%左右，这时如果车窗是受电弓断面，相比于完整的断面面积会在一定程度上减小，但是形心位置会上移50mm左右，因此车窗受电弓断面，有效地保持了断面面积，也有利于保障车体横断面刚度协调。通过上述分析可以看出一些基本规律，就是断面惯性矩情况会随断面面积变化而发生变化，如果面积增加，那么断面惯性矩就会增加。如果面积减小，断面惯性矩就会减小。基于这样的情况，要求设计过程中应当尽量地保持截面形状完整，在不可避免的开孔位置，比如空调、受电弓、车顶面积缺失部位，应当尽量避免与车门和车窗部位重叠。如果无法避免应当尽量降低重叠面积，这样才能确保整体刚度的影响最小。通过对两个车体的截面特性对比分析，可以知道即使是相同面积断面，由于面积的分布情况不同，得到的抗弯刚度也会有所差别，所以相同面积对于惯性矩贡献也不一样，有时一些面积较小的截面，可能会提供更大的抗弯能力。从理论上分析，当总面积相同的情况下，由于面积分布的不同，会导致中性面位置不同，从而使得截面惯性矩的不同。

结束语：

通过研究高速动车组车体的刚度情况，可以基本了解不同情况下车体断面情况。在实际工作中基于梁变形理论，开发了断面特性分析程序，不仅能够快速地分析和提取车体断面数据，而且还可以根据提取的数据，分析不同动车组的车体情况，以及不同断面的刚度变化，同时也为提升车体设计水平提供了依据。

参考文献：

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