2.4 底架结构静力学计算分析

2.4.1 理论计算载荷

根据EN 12663-1：2010《铁路设施 铁路车辆车身的结构要求》的相关规定^[133]，设计高速列车端部底架结构静力学的理论计算载荷分布情况。端部底架结构在服役过程中受到的理论计算载荷包括：2个空簧处的垂向载荷F_z；中心销处的横向载荷F_2y和纵向载荷F_2x；2个抗蛇行减振器座的纵向载荷F_1x，共计4种载荷，详细承载情况如图2-5所示。

根据高速列车端部底架结构实际承载情况，并按照JIS E 7106—2006《铁路机车车辆客车结构体设计一般要求》的设计载荷要求^[134]，选择最危险工况（即承载的临界状态）来确定静力学理论计算载荷值。

1）枕梁结构空簧处的垂向载荷F_z：车体整备的重力为311.7kN；定员人数为100人，按照80kgf/人计算，总重力约为80kN；超员人数为200人，总重力约为160kN。当承载人员为定员时，枕梁结构将承担391.7kN，每个空簧承担97.9kN（共4个空簧位置）；当承载人员为超员时，枕梁结构将承担471.7kN，每个空簧承担117.9kN。按照JIS E 7106—2006的设计载荷要求，确定每个空簧位置的垂向载荷为138kN。其中，静载为120kN，在运行过程中承受的变动幅载为18kN。

2）抗蛇行减振器座纵向载荷F_1x：按照JIS E 7106—2006对抗蛇行载荷的设计要求，确定抗蛇行减振器纵向载荷为20kN。

3）中心销处载荷F₂（包括中心销纵向载荷F_2x和横向载荷F_2y）：按照JIS E 7106—2006的设计载荷要求，设计载荷按照0.15倍的加速度确定。其中，中心销处纵向载荷为10.9kN；中心销处横向载荷为10.9kN。理论计算载荷数值见表2-1。

2.4.2 约束条件

采用有限元法进行计算分析时，需要了解关键结构部件的连接关系并考虑结构的边界约束条件，尽可能使其与实际承载情况相符。如果边界约束条件的施加与实际情况不符，将会导致计算结果出现较大的偏差。本章根据EN 12663-1：2010的相关要求对高速列车端部底架结构进行约束。

高速列车端部底架边梁结构与车体相连接。在服役过程中，枕梁和抗蛇行减振器座是主要的承载部件，而边梁相对于这些承载部件却是固定的。因此，在对端部底架结构进行有限元计算分析时，应将边梁结构全部约束，这样的约束条件与车体的实际服役情况相符。端部底架结构的边界约束条件如图2-6所示，约束方式为将边梁结构的侧面和底面全约束。

2.4.3 有限元仿真结果分析

应用ANSYS 15.0软件的静力分析模块，对端部底架结构进行有限元静力学计算。图2-7所示为端部底架结构应力分布，从中可以看出，应力较大的位置出现在枕梁的观察孔和穿线管处，其中最大的应力约为58.6232MPa；牵引梁和小纵梁处的应力较小，其中最大的应力约为6.3089MPa。

图2-8所示为端部底架结构位移分布，从中可以看出，最大位移出现在牵引梁和小纵梁处，最大变形量约为1.3048mm；边梁和抗蛇行减振器座变形较小，其变形量约为0.1057mm。

针对重点研究的端部底架关键功能部件，包括枕梁、牵引梁和抗蛇行减振器座。其应力、位移的分布如图2-9～图2-14所示。

2.4.4 仿真结果验证

根据国内某研究机构对4条不同运行线路高速列车端部底架结构的实测应力结果^[135]，验证本章有限元仿真结果的准确性。实测应力结果是通过准静态方法识别出不同运行线路中车体抗蛇行减振器座和车钩的实际承载情况，并获得不同线路条件下的垂向动载荷系数。4条不同运行线路的垂向动载荷系数和部分载荷识别结果见表2-2。车体关键部位动应力最大值的统计结果见表2-3。

将表2-2中给出的4条不同运行线路的载荷识别结果与本章设计的理论计算载荷进行对比可以发现，二者数值相差不大，绝大多数的载荷识别结果低于本章设计的理论计算载荷。因此，采用理论计算载荷对高速列车端部底架结构进行有限元分析相对合理，其能够反映出底架结构在临界承载状态下的服役情况。

图2-15～图2-17所示为高速列车端部底架不同部位的有限元分析结果。其中，底架横梁处的应力为6.6888MPa；抗蛇行减振器座与车体底架连接部的应力为19.9577MPa；抗蛇行减振器座的应力为16.8071MPa。通过与表2-3中给出的不同运行线路车体关键部位动应力最大值进行比较可以发现，本章的有限元分析结果与部分实测应力结果相差不大，说明本章设计的边界约束条件和加载方式能够反映出高速列车端部底架结构的真实受力情况。