摘要：車體作為軌道車輛的重要部件之一，不僅要滿足軌道車輛輕量化、智能化的要求，承受各種靜動載荷，適應(yīng)最大運(yùn)行速度，在列車事故狀態(tài)下盡可能保證乘客安全，還要保證軌道車輛各系統(tǒng)部件振動的協(xié)調(diào)性，滿足軌道列車舒適性、平穩(wěn)性要求。模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性，每一個模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，整車模態(tài)的匹配性直接反映出車輛的穩(wěn)定性和舒適性，本文通過對不銹鋼城鐵車的車體結(jié)構(gòu)及模態(tài)分析，對車體的設(shè)計(jì)提出建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞：車體;材料;模態(tài)

1 車體結(jié)構(gòu)及模態(tài)研究的必要性

近年來，我國各大主要城市的軌道交通建設(shè)如火如荼，對地鐵及輕軌列車的需要越來越旺盛，列車速度也由原來的60-80km/h提高到100km/h。隨著列車速度的不斷提高，線路固有頻率范圍加寬，而車輛自重不斷減輕，其固有頻率降低，這樣就導(dǎo)致車體的低階彈性振型有可能處于線路的激擾范圍之內(nèi)，從而使車體產(chǎn)生較大的振動。這樣帶來的危害：一是車體某些部位產(chǎn)生較大的變形，影響疲勞壽命;二是車體的振動會傳遞到車上的地板、座椅，降低乘坐的舒適度。車身結(jié)構(gòu)除了必須具有足夠的強(qiáng)度以保證其疲勞壽命、足夠的靜剛度以保證其裝配和使用的要求外，還應(yīng)有合理的動態(tài)特性以達(dá)到控制振動和噪聲的目的。因此需要對其模態(tài)特性進(jìn)行研究。

鑒于目前各車型車體設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)、模態(tài)等性能方面的被動性，必須總結(jié)規(guī)律，研究出優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高模態(tài)的有效途徑。合理的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能最大程度發(fā)揮車體的承載能力，也能有效減小車體振動，進(jìn)而提高乘坐舒適度和安全性。因此，需要針對車體結(jié)構(gòu)對車輛模態(tài)特性的影響進(jìn)行深入研究，為車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，最終達(dá)到提高列車運(yùn)行舒適性及安全性的目的。

2 車體結(jié)構(gòu)

2.1 車體結(jié)構(gòu)基本要求

1）車體的設(shè)計(jì)壽命不低于30年;在30年內(nèi)車體結(jié)構(gòu)件無重修或加固。

2）車體設(shè)計(jì)符合EN 12663《鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)中歸屬P-Ⅲ（地鐵和快速運(yùn)輸車輛）類結(jié)構(gòu)要求。車體承受各種最大垂直載荷的同時，沿車鉤縱向水平方向施加不小于1200kN的靜壓載荷，不小于960kN拉伸載荷。

3）車體的焊接滿足設(shè)計(jì)要求和EN 15085標(biāo)準(zhǔn)或等同國際標(biāo)準(zhǔn)。

4）車體主體結(jié)構(gòu)采用SUS301L不銹鋼材料，底架前端采用碳鋼材料制造。

2.2 技術(shù)參數(shù)

車輛長度（車鉤連接面之間的長度）

TC車 ??????24，400mm

Mp/M車 ????22，800mm

列車長度 ??140，000mm

車輛寬度 ??3，000mm

車輛高度 ??軌頂面至車頂之間的高度（新輪，不包括受電弓）≤3，800mm，受電弓（落弓高度）：3810--3890mm

客室內(nèi)部高度（從地板面至內(nèi)部車頂中心線） ≥2，120mm

從軌頂面至地板面高度（新輪、空載、空氣簧充氣） 1，130mm

轉(zhuǎn)向架中心距 ??15，700mm

車鉤水平中心線距軌頂面高度 ???720mm

2.3 主要結(jié)構(gòu)

A型不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)布置如圖1所示;A型不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)三維建模如圖2所示。

2.4 車體材料

車體鋼結(jié)構(gòu)分為端墻、側(cè)墻、車頂、底架及其他連接部件幾部分，主要使用材料如表1所示。

3模態(tài)分析

采用有限元仿真計(jì)算方法，在Hypermesh軟件中建立車輛有限元模型，然后導(dǎo)入ANSYSR軟件中進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，分別對車體的鋁結(jié)構(gòu)模態(tài)、無吊掛設(shè)備時的整備模態(tài)、含吊掛設(shè)備（剛性聯(lián)接）時的整備模態(tài)進(jìn)行建模和計(jì)算，設(shè)備和車體模態(tài)匹配表計(jì)算結(jié)果如表2所示。

不銹鋼車體采用超低碳（C<0.03%）的SUS301L車輛專用經(jīng)濟(jì)不銹鋼，通過壓延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT5個強(qiáng)度級。SUS301L的改性壓延狀態(tài)機(jī)械性能代號HT的屈服點(diǎn)在961N/mm2以上，拉伸強(qiáng)度在1275N/mm2以上。其縱向彈性模量（E）卻只有鋼的85%，這意味著不銹鋼車體比同樣結(jié)構(gòu)的耐候鋼車剛度要小。剛度下降將導(dǎo)致舒適性下降。

在產(chǎn)品開發(fā)初期，就必須考慮整車結(jié)構(gòu)特征和各個系統(tǒng)的布置，使得振動最小。減小整車低頻振動，可以從下面幾個方面來考慮：

①加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。車體承載結(jié)構(gòu)由型材或者由板梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成。增加這些梁結(jié)構(gòu)的截面積就可以增加其剛度。增加截面積可能受到空間布置的影響，在這種情況下，設(shè)計(jì)經(jīng)理及主管就需要權(quán)衡車體模態(tài)及整車空間布置的重要性，合理的進(jìn)行車體方案設(shè)計(jì)來達(dá)到提高剛度的目的。

②避免車下吊掛設(shè)備與車體的耦合振動。一些需要主機(jī)廠自己設(shè)計(jì)的部件，如轉(zhuǎn)向架、車體承載結(jié)構(gòu)、車下吊裝設(shè)備、某些附屬系統(tǒng)等，應(yīng)該避開車體承載結(jié)構(gòu)的第一階垂向模態(tài)頻率和第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。為實(shí)現(xiàn)整車有較好的振動噪聲性能，通常采用的方法是：使所設(shè)計(jì)部件的模態(tài)頻率值遠(yuǎn)高于車體承載結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲和一階扭轉(zhuǎn)頻率;將該部件布置在車體承載結(jié)構(gòu)的模態(tài)節(jié)點(diǎn)上。

③避免轉(zhuǎn)向架與彈性車體耦合振動。為避免彈性車體與構(gòu)架耦合振動、降低構(gòu)架振動傳遞所導(dǎo)致的車體彈性振動，懸架系統(tǒng)要盡可能安裝在車體的模態(tài)節(jié)點(diǎn)上。

4結(jié)論

我國軌道車輛研發(fā)技術(shù)經(jīng)過了較長的發(fā)展過程，初期的軌道車輛車體采用碳鋼材質(zhì)。由于碳鋼車體存在耐腐蝕性差、質(zhì)量大、后期維護(hù)費(fèi)用高等缺陷，故碳鋼材質(zhì)在車體上的應(yīng)用顯著減少。后來，在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國進(jìn)行了不銹鋼車體的研發(fā)，并在車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等方面取得了重要突破。目前，我國軌道車輛車體廣泛選用不銹鋼材質(zhì)。

本文僅通過對我司典型項(xiàng)目車體材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)的對比分析，定性提出車體結(jié)構(gòu)參數(shù)會在一定程度上影響車體模態(tài)特性，后續(xù)如果條件允許，可以選取某一典型車型有針對性的更改個別車體結(jié)構(gòu)參數(shù)（車體長度、車體高度、軸距、車頂、側(cè)墻、底架等大部件型材斷面結(jié)構(gòu)及型材壁厚），通過三維建模及仿真計(jì)算等方法，進(jìn)一步定量的驗(yàn)證上述參數(shù)的改變對車體模態(tài)參數(shù)的影響程度，識別出上述參數(shù)中對車體模態(tài)參數(shù)影響最有利的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在后續(xù)車體結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)過程中予以應(yīng)用。

合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是減輕重量的有效措施，優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)是在保證兼顧車體強(qiáng)度與剛度的基礎(chǔ)上利用強(qiáng)度理論和優(yōu)化設(shè)計(jì)分析程序，把車體設(shè)計(jì)成為充分利用材料強(qiáng)度和整體承載筒形結(jié)構(gòu)。經(jīng)驗(yàn)證明，通過優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)，車體結(jié)構(gòu)重量至少可以減輕10%。合理的車輛動態(tài)性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將使車體具有良好的動態(tài)特性，不僅能避免與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架自振頻率接近，也能提高車體的彈性彎曲自振頻率，從而減小振動，提高車輛的舒適性及安全可靠性。

作者簡介：張艷杰（1982—），男，單位：長春軌道客車股份有限公司工程研究中心，高級工程師。

（作者單位：長春軌道客車股份有限公司工程研究中心）