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隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車服役環(huán)境也變得更加惡劣，對列車的安全性和可靠性也提出了更高的要求。隨著高速動(dòng)車組的普遍運(yùn)行，目前的車體相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足車體強(qiáng)度的評判，需要增加更多的實(shí)際線路運(yùn)行情況進(jìn)行有限元分析。尤其在氣動(dòng)載荷方面，隨著列車速度的提高，氣動(dòng)載荷對車體強(qiáng)度的影響越來越大，特別在高速會(huì)車、高速隧道通過及受到強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響的時(shí)候，氣動(dòng)載荷對車體強(qiáng)度的影響更加明顯。目前，國內(nèi)對車體疲勞強(qiáng)度問題的研究主要集中在機(jī)械載荷對車體疲勞強(qiáng)度的影響方面，而關(guān)于氣動(dòng)載荷對車體疲勞強(qiáng)度影響的研究比較少，在標(biāo)準(zhǔn)200km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》中僅僅作了簡單的描述。在國外，韓國鐵道研究院KRRI的Seo等對高速列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷疲勞強(qiáng)度做了大量的理論和試驗(yàn)研究。本文在EN12663車體強(qiáng)度評定準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上增加了4種氣動(dòng)載荷工況對車體強(qiáng)度進(jìn)行評判，將高速列車明線會(huì)車氣動(dòng)載荷工況與由軌道引起的垂向加速度和牽引制動(dòng)引起的疲勞載荷工況進(jìn)行組合，采用Goodman曲線分別對車體底架側(cè)梁、地板外層、地板夾層、車身外層、側(cè)墻內(nèi)層、側(cè)墻夾層、司機(jī)室7個(gè)部分進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度的評估。若這7個(gè)部分強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果均落在各自對應(yīng)的Goodman曲線封閉區(qū)域內(nèi)，則車體滿足疲勞強(qiáng)度要求。
動(dòng)車組車體由大型中空鋁合金型材組焊而成，具有良好的防腐性能，其承載結(jié)構(gòu)為筒型整體承載結(jié)構(gòu)；這種結(jié)構(gòu)可以有效地減少車體結(jié)構(gòu)的零部件數(shù)量、降低制造成本、提高車體結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量，而且具有較好的截面剛度特性，從而可提高車體結(jié)構(gòu)的整體剛度和乘坐舒適性。動(dòng)車組頭車車體主要由車體底架側(cè)梁、地板外層、地板夾層、車身外層、側(cè)墻內(nèi)層、側(cè)墻夾層、司機(jī)室7個(gè)部分組成。表所示是該動(dòng)車組頭車車體主要技術(shù)參數(shù)。本文高速列車所用的A7N01鋁合金是我國國產(chǎn)材料，其焊接填充材料采用的是SAF5356焊絲。母材和焊絲的成分見表。分別根據(jù)母材和焊縫的實(shí)際情況，定義材料的不同屬性，如表所示。由于動(dòng)車組車體鋁結(jié)構(gòu)為鋁板、梁、型材焊接結(jié)構(gòu)，故車體有限元模型以任意四節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)三角型單元為輔。頭車車體有限元模型的單元總數(shù)為2199500，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1805578。頭車車體的有限元模型如圖所示。
參考EN12663-2010，結(jié)合該動(dòng)車組車體強(qiáng)度計(jì)算特點(diǎn)，制定出動(dòng)車組車體靜強(qiáng)度計(jì)算工況，表列出了部分載荷工況。具體載荷處理如下：①對于車體自重，在ANSYS前處理模塊輸入車體鋁合金材料的密度和重力加速度，程序根據(jù)模型各單元表面積、單元實(shí)常數(shù)自動(dòng)將單元載荷因子的信息記入總載荷進(jìn)行計(jì)算;②車內(nèi)設(shè)備(如座椅)、乘客、行李等載荷以均布載荷的形式作用在底架側(cè)梁上;③車頂空調(diào)設(shè)備和車體牽引變流器及冷卻裝置，按照設(shè)備安裝點(diǎn)的實(shí)際位置，以集中載荷的形式平均作用在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。車體垂向載荷工況1計(jì)算的表形值用來校核車體的剛度，計(jì)算得到車體最大變形：車體底架側(cè)梁垂向變形為5.39mm，相對變形較小，如圖所示。車體在工況1－工況7載荷作用下，最大當(dāng)量應(yīng)力為280.2MPa，產(chǎn)生于工況7中，出現(xiàn)在二位端空氣彈簧約束處，如表所示。工況7是考察車體在垂向超員情況下同時(shí)承受縱向超常壓縮載荷時(shí)能否滿足車體材料的需求，垂向載荷的主要承載部位在空氣彈簧座處，再同時(shí)承受縱向載荷作用，導(dǎo)致車體該處的應(yīng)力最大，較大當(dāng)量應(yīng)力發(fā)生在司機(jī)室車門門角、二位端、一位端車鉤補(bǔ)強(qiáng)板處和車體側(cè)墻與車頂過渡處，其余部位的應(yīng)力較小。
工況1下的整車應(yīng)力云圖。機(jī)車車輛承載結(jié)構(gòu)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷作用下，其靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行的條件如下：(1)在正常運(yùn)行載荷作用下，其最大von Mises應(yīng)力不大于制造材料的許用應(yīng)力。(2)在運(yùn)行中最大載荷(發(fā)生行車事故時(shí)承擔(dān)的載荷)作用下，其最大von Mises應(yīng)力不大于制造材料的屈服極限。即上述工況中，工況1為運(yùn)行載荷作用下的工況，用式(1)進(jìn)行校核，材料的許用應(yīng)力根據(jù)材料屈服極限、與安全系數(shù)S的商進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)《200km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》，運(yùn)營載荷下安全系數(shù)S取1.5，材料許用應(yīng)力為197MPa，滿足靜強(qiáng)度要求。工況2至工況7分別為抬車工況、縱向靜負(fù)載工況、組合工況，為非正常運(yùn)行載荷作用下的工況，按式(2)進(jìn)行校核，材料屈服極限為295MPa，滿足靜強(qiáng)度要求。
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