一种碳钢车车体结构轻量化研究

一种碳钢车车体结构轻量化研究

闫春江1，钟静静1，冯前前2

1中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063300

2中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司 ，乌鲁木齐 830000

摘要：基于典型碳钢车车体钢结构，以轻量化设计为目标，对梁柱的截面形式、排布、结构厚度等进行优化，实现整车减重4%的目标。优化后的车体钢结构经过仿真计算验证，强度、刚度满足TB/T 3550.1-2019《机车车辆强度及试验鉴定规范 车体 第1部分：客车车体》。

关键词：车体结构轻量化仿真计算

1.引言

随着铁路行业的日益发展，轻量化设计这个概念也越来越被大众重视，在牵引力和制动力一定的前提下，车辆轻量化设计可以提高列车运行速度，改善列车启动和制动性能，而且可有效减小轮轨力，减小振动和噪声，增加车辆和线路的使用寿命。

车体的重量在车辆中占有很大的比重，大约为车辆自重的30％左右，是车辆轻量化的重要部分。

2.车体结构原方案

该车体钢结构采用筒形整体承载结构，主要由端墙、侧墙、车顶、底架等组成，如图2-1所示。

图2-1 车体结构

3.车体结构轻量化方案

原方案经仿真计算，强度及刚度均满足TB/T 3550.1-2019，端角柱、侧墙和车顶的骨架、底架横纵梁、牵引梁下盖板、设备吊座等个别部位强度冗余度较高，可以对其进行轻量化优化。

下面针对车体各部位设计冗余部位及应力集中部位提出优化方案，在强度和刚度满足标准的前提下，实现车体减重4%的目标。

表3-1轻量化方案减重值

4.轻量化车体结构仿真计算

4.1建立有限元模型

建立轻量化车体有限元模型时，凡是对该车整体刚度及局部强度有贡献的结构，都予以考虑。为了确保计算结果的准确性，模型构成以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅，实体单元以八节点六面体单元为主。

车体有限元模型共计单元总数869179；节点总数841096。有限元模型重量15.327t。车体的有限元模型如图4-1所示：

图4-1轻量化车体有限元模型

4.2车体静强度计算工况

依据TB/T 3550.1-2019，垂向动荷系数为0.1206，侧向力为垂向静载荷的12.5%，故最大垂向载荷工况计算系数取1.2456，抬车和支撑工况垂向载荷计算系数取1.125。

4.3车体部件的强度评定要求

材料Q235B许用应力依据GB/T 700-2006，材料Q355许用应力依据GB/T 1591-2018，材料Q350EWR1、Q350EWL1、Q450NQR1许用应力依据标准TB/T 1979-2014。

表4-1  不同计算工况下车体部件的强度评定要求表

根据TB/T 3550.1-2019，在垂向载荷工况作用下，整体承载的车体相当弯曲刚度EJC不小于1.8×109 N·m2，相当弯曲刚度EJC的计算公式为：

                                 （4-1）

式中：为相当弯曲刚度，N·m2 ；W为单位长度载荷，N/m ；L1为底架外伸部分长度，m；L2为车辆定距，m；为垂直静载荷作用下侧梁中央挠度，m。

根据TB/T 3550.1-2019，在扭转载荷工况作用下，整体承载的车体相当扭转刚度GJp不小于5.5×108 N·m2/rad，相当扭转刚度GJp的计算公式为

                                          （4-2）

式中：GJp为相当扭转刚度，N·m

2 /rad；L为相对扭转界面之间的距离，m；Mk为扭转力矩，N·m；为相对扭转角，rad。

4.4车体刚度计算结果

在垂向载荷工况作用下，车体及底架边梁垂向位移云图见图5-1。车体底架边梁中央位置垂向静挠度值为5.606 mm，将其代入式（4-1），得到车体相当弯曲刚度EJC=3.904×109 N·m2。

a）车体

b）底架边梁

图4-2  垂向载荷工况作用下车体及底架边梁垂向位移云图

在扭转载荷工况作用下，车体枕梁端部支撑点垂向位移云图见图5-2。车体枕梁端部四个支撑点的相对扭转角为5.7469×10-4 rad，将其代入式（4-2），得到车体相当扭转刚度

GJp=1.2528×109 N·m2/rad。

a）车体

b）枕梁端部支撑点

图4-3  扭转载荷况作用下车体枕梁端部四个支撑点垂向位移云图

4.5车体静强度计算结果

表4-3车体Von. Mises应力计算结果（静载荷条件下）

a）顶车位横梁处                            b） 窗间立柱处

图4-4计算工况8作用下车体Von.Mises应力云图

a）底架7号横梁处                            b）16号横梁减重孔处

图4-5计算工况12作用下车体Von.Mises应力云图

4.6结论

（1）在垂向载荷工况作用下，车体底架边梁中央位置垂向静挠度值5.606mm，车体相当弯曲刚度EJC=3.904×109 N·m2，大于车体设计许用值1.80×109 N·m2；在扭转载荷工况作用下，车体枕梁空簧处四个支撑点的相对扭转角为5.7469×10-4 rad，车体相当扭转刚度GJp=1.2528×109 N·m2/rad，大于车体设计许用值5.5×108N·m2/rad；满足TB/T 3550.1-2019对刚度的要求；

（2）在12种载荷工况作用下，车体各部件的许用应力与计算应力之比均大于1，车体静强度满足设计要求。

5.总结

在典型碳钢车车体结构基础上对各部位进行了轻量化优化设计，车体共减重约660Kg，相对于车体总重15.327t，减重约为4%。并建立了三维模型，对优化后的车体结构进行了仿真分析，依据 TB/T3550.1-2019 ，优化后的车体结构在规定的静强度工况下，各部位安全系数均大于1，车体的相当弯曲刚度及相当扭转刚度均大于标准的允许值，静强度和刚度性能满足标准要求，且有较大的安全余量，后续车辆在设计过程中仍有一定的轻量化空间。

参考文献：

1．马纪军.车体钢结构的轻量化研究[J].铁道车辆，2005，43(4)：7-10

2．TB/T 3550.1-2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范车体第1部分：客车车体》。

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