高速动车组车体疲劳失效分析

景发明 白兆阳 李永涛

摘要：随着经济的高速发展与人们出行对车辆的速度和舒适度需求越来越高，选择高速动车组的乘客也越来越多，车辆的不断提速、运行环境的变化以及轮轨之间的振动关系对车体的强度都是很大的考验。由于车体的稳定性关系到整车的行车安全，所以车体的疲劳强度失效分析也是动车组研制技术的重中之重。

关键词：高速动车组 车体 疲劳强度 失效分析

1、前言

近年来，经济的高速发展与人们生活水平的日益提高，高速动车组已成为人们中长线出行的首选交通工具，高速动车组也经历引进、消化、发展的技术创新路线，理念趋于智能化与人文化。车辆的研发技术与生产制造过程中，所有功能的实现与设备的安装都是基于高速动车组车体，不仅安装众多的部件，承接相应的力，也由焊接、拉铆等连接方式保证车辆运行性能的稳定，所以，车体的稳定性、抗疲劳强度关系到车辆能否稳定运行、行车安全、旅客舒适度与中国高铁事业智能化进程。

高速动车组车体由底架、端墙、侧墙和车顶等部件通过焊接与拉铆等加工方式组成，采用整体承载的铝合金金属结构。它是容纳乘客和司机驾驶的地方，又是安装与连接其他设备及部件的基础和骨架。在铝合金车体车体制造过程中，首先部件供应商根据设计图纸进行下料，然后组成车间将底架、侧墙、车顶、端墙等部件进行总装焊接，总装焊接后经过调修、焊接质量检查、车体空间检测，才能实现最终车体交验。整车安装及出厂的主要流程为装配—焊接—打砂—涂装—组装—调试—交付。车体结构如图1所示。

图1 高速动车组车体结构

3. 车体疲劳裂研究

由于越来越多的人选择高速动车组作为出行方式，车辆受到的实际载荷也越来越大，加上车辆速度的提升，车辆高速行驶时的自身振动以及外部因素会对车身自身缺陷以及制造缺陷进行放大，当这种缺陷积累到一定程度时就会导致承载构件产生裂纹，引起疲劳破坏，影响车体机构安全可靠性对车辆行车安全以及旅客人身安全带来影响。

以高速动车组车体为研究对象，根据二维图模型生成三维模型以及建立有限元分析模型；依据EN12663标准确定各工况下的载荷并且在有限元分析软件中进行加载计算，进行该型动车组整车车体的静强度分析以评估其设计是否合理。计算所得车体各位置的等效应力都在各位置材料的许用应力范围内，表明该车车体结构的静强度满足要求；在扭转载荷作用下，车体结构上的最大应力幅均在各个位置材料的疲劳许用应力值之内，因此该车型车体结构在静强度加载下的疲劳强度满也满足要求。以整车车体计算结果为基础选取车体关键位置并且对车体关键部位采用子模型研究方法,对车体关键部位进行更加细致的应力分析，运用子模型法对于动车组关键位置的细致应力分析提高了其计算精度，也为未来对车体局部静强度分析研究提供了一个思路。

3、车体疲劳寿命有限元分析

利用HyperMesh建立高速动车组车体结构的有限元模型；并根据相应标准确定了车体静强度分析的工况。在此基础上利用有限元仿真软件对每个工况进行静强度分析和整车模态分析，以评价车体主要部位的强度、车体刚度和动态性能。然后，在仿真软件中提取车体上具有代表意义的测点的应力，并与试验结果进行对比，以验证有限元模型和分析结果的准确性。建立在实际运行中出现问题的包含焊缝细节的高速动车组某设备舱原结构有限元模型，并根据EN12663—2003标准和相关线路实验数据确定其所受的疲劳载荷模式，并进行疲劳分析。

4、结论

高速化、轻量化是当今客运列车发展的两大时代主题，然而高速化和轻量化在减少运行时间和提高经济效益的同时也带来了更多的车辆强度问题。速度提高，车辆所受激扰频率增加，车辆部件疲劳问题不断出现；轻量化的同时车辆刚度下降，对结构设计要求更高。而在我国铁路客车不断提速，高速动车组应用范围不断扩大，为保证高速动车组运行的安全性和可靠性，高速动车组及其关键零部件的强度和抗疲劳能力必须满足设计和使用要求。

参考文献

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