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隨著列車運行速度的提高，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。隨著高速動車組的普遍運行，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，需要增加更多的實際線路運行情況進(jìn)行有限元分析。尤其在氣動載荷方面，隨著列車速度的提高，氣動載荷對車體強(qiáng)度的影響越來越大，特別在高速會車、高速隧道通過及受到強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響的時候，氣動載荷對車體強(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)計及試驗鑒定暫行規(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產(chǎn)生的氣動載荷疲勞強(qiáng)度做了大量的理論和試驗研究。本文在EN12663車體強(qiáng)度評定準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上增加了4種氣動載荷工況對車體強(qiáng)度進(jìn)行評判，將高速列車明線會車氣動載荷工況與由軌道引起的垂向加速度和牽引制動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個部分進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度的評估。若這7個部分強(qiáng)度計算結(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個部分組成。表所示是該動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)母材和焊縫的實際情況，定義材料的不同屬性，如表所示。由于動車組車體鋁結(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)點等參薄殼單元為主，三節(jié)點三角型單元為輔。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)合該動車組車體強(qiáng)度計算特點，制定出動車組車體靜強(qiáng)度計算工況，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、單元實常數(shù)自動將單元載荷因子的信息記入總載荷進(jìn)行計算;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)備安裝點的實際位置，以集中載荷的形式平均作用在相應(yīng)的節(jié)點上。車體垂向載荷工況1計算的表形值用來校核車體的剛度，計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承受縱向超常壓縮載荷時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)計和運行的條件如下：(1)在正常運行載荷作用下，其最大von Mises應(yīng)力不大于制造材料的許用應(yīng)力。(2)在運行中最大載荷(發(fā)生行車事故時承擔(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)行計算，根據(jù)《200km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定》，運營載荷下安全系數(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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