芻議不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及仿真分析

宋業(yè)恒（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東　青島　266111）

芻議不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及仿真分析

宋業(yè)恒
（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東青島266111）

不銹鋼材料具有耐腐蝕性高、使用周期長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)輕量化、強(qiáng)度高而且適合運(yùn)用于點(diǎn)焊工藝等特點(diǎn)，為制造軌道交通車輛車體的理想材料之一。本文將對(duì)不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其仿真分析做出簡(jiǎn)要的介紹。

不銹鋼車體；點(diǎn)焊；連接接頭；仿真分析

不銹鋼車體具有耐腐蝕、耐高溫、結(jié)構(gòu)輕量化、機(jī)械性能高、疲勞強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)以及綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各大行業(yè)都占有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不銹鋼車體的生產(chǎn)技術(shù)的成長(zhǎng)已趨于成熟階段。而且不銹鋼有良好的抗升溫能力和抗沖擊性能，可大大提高車體的安全性，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不銹鋼車體已經(jīng)大量的應(yīng)用于軌道車輛的制造，對(duì)其的研究?jī)r(jià)值在不斷地上升。

1　高速不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：半不銹鋼車體、全不銹鋼車體和輕型不銹鋼車體。半不銹鋼車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著許多不足，它的內(nèi)部構(gòu)件腐蝕后需對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)，而且只是外側(cè)板才使用不銹鋼；全不銹鋼車體的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和外板都采用了不銹鋼材質(zhì)，該種車輛和低合金高強(qiáng)度的車輛相比，質(zhì)量降低了20%，基本上不需補(bǔ)修；在進(jìn)一步輕量化的要求下，開發(fā)出了輕型不銹鋼車體，該車車體結(jié)構(gòu)與全不銹鋼具有同等的強(qiáng)度和剛度，而且車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量是一般碳鋼車的63%[1]。車體的骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不銹鋼車體設(shè)計(jì)中兩個(gè)較關(guān)鍵的問題，所以下面主要介紹這兩點(diǎn)。

1.1骨架結(jié)構(gòu)

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要素之一是車體骨架的設(shè)計(jì)。通過對(duì)車體骨架連接部位的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)大部分接頭采用立體相接的方法，極大的提高了接頭部位傳遞載荷承受的能力，如底架邊梁與側(cè)墻立柱的連接部位，側(cè)墻立柱與側(cè)墻橫梁的連接部位，車頂彎梁與車頂橫梁的連接部位等。

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)采用的是鋼制骨架，開口截面的型材很難完全地傳遞載荷，而且加載之后容易發(fā)生扭曲，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量減少單獨(dú)對(duì)開口截面型材的使用。而箱型截面的型材，可以較為充分的傳遞載荷，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性，所以應(yīng)根據(jù)不同的部位采用型箱截面的型材。

1.2車體外板

考慮到不銹鋼的熱應(yīng)變較大，為了減小其應(yīng)變，以往常常將側(cè)墻外板做成波紋結(jié)構(gòu)。波紋結(jié)構(gòu)板在橫向和縱向雖然具有剛性，但在剪切方向則較弱，所以在需要傳遞剪切力的地方，必須另外添加剪切板，做起來相當(dāng)?shù)穆闊2]。因此過去的不銹鋼車體的零件數(shù)多、工藝也比較復(fù)雜。目前新型不銹鋼車體所使用的由配置沖壓成的雙薄板已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的側(cè)墻波紋板。采用斷面形狀為“凹”，厚為0.8mm的標(biāo)準(zhǔn)化零件沖壓成形內(nèi)板，可用來抵抗剪力翹曲板。為了使外觀看起來更加美觀，使沖壓內(nèi)板長(zhǎng)期保持剛性效果，同時(shí)使外板厚度降低20%左右，在進(jìn)行不銹鋼車體的設(shè)計(jì)時(shí)，可降低蒙皮的應(yīng)用，免除內(nèi)板不強(qiáng)筋的突出問題，同時(shí)采用外板和點(diǎn)焊的結(jié)合裝配。在進(jìn)行不銹鋼車體的設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)材料規(guī)格寬度的局限性，側(cè)墻板分為：上墻板、下墻板和中墻板三部分制造。為了防止出現(xiàn)翹曲不平的狀況，側(cè)門之間應(yīng)用整張鋼板來制造，車窗周圍的中墻板要用平整度較好的材質(zhì)。車頂板應(yīng)使用厚度為0.8mm的波紋，目的是為了增大其剛度。

1.3車體結(jié)構(gòu)用不銹鋼

為了提高車體的安全性、可靠性、耐磨性，并且可以增長(zhǎng)其使用壽命，應(yīng)該保證用作車體結(jié)構(gòu)部件的不銹鋼具有高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，必須要求車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用的不銹鋼具有耐磨性、高強(qiáng)度、良好的彎曲、沖壓和切割效果，其中高強(qiáng)度特別重要，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，基本上都是采用奧氏體不銹鋼作為軌道車輛的基本材料。不銹鋼車體常用材料牌號(hào)為SUS301和SUS304奧氏體不銹鋼作為材料。

2　不銹鋼車體仿真分析要點(diǎn)

在進(jìn)行仿真分析過程中，計(jì)算模型的準(zhǔn)確性、精度是有限元仿真結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素。而設(shè)計(jì)結(jié)果的成功與否和所做的仿真分析類型也緊密聯(lián)系，所以在對(duì)不銹鋼車體進(jìn)行仿真分析和有限元建模時(shí)，要特別重視以下幾個(gè)方面。

對(duì)不銹鋼車體做仿真分析需特別注意結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要性。這種分析屬于線性分析的范疇，結(jié)構(gòu)實(shí)際的失穩(wěn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)臨界失穩(wěn)力的事先預(yù)測(cè)，所以特征值屈曲分析很少應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)分析。但是在某些方面，特征值屈曲分析的應(yīng)用還是比較廣泛的，比如它可以用于非線性屈曲分析的初步評(píng)估，其中屈曲載荷系數(shù)很重要，因?yàn)橥ㄟ^外加載荷和該系數(shù)相乘便是屈曲載荷，根據(jù)其數(shù)值，可判斷出車體是否達(dá)到安全系數(shù)。

不銹鋼車體在運(yùn)用過程中可能會(huì)因?yàn)椴僮鞣椒ú粚?duì)，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的裂紋，從而很難做到不損害不銹鋼材料性能的前提下對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)修，因此在設(shè)計(jì)車體時(shí)應(yīng)充分把疲勞性能考慮進(jìn)去，以致于滿足設(shè)計(jì)壽命，在作出疲勞分析時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查重點(diǎn)受力部位和枕梁附近的焊點(diǎn)情況。

在進(jìn)行不銹鋼車體仿真分析時(shí)，還可能出現(xiàn)另外一個(gè)問題“焊點(diǎn)的模擬。”目前焊點(diǎn)模擬的方法有很多種，其中最主要的幾種為：實(shí)體模型、傘狀模型、面接觸模型、實(shí)體板殼模型以及C-WELD單元模型等等。有關(guān)開發(fā)和研究表明，C-WELDF單元是和實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最穩(wěn)和的一種焊點(diǎn)單元模式，它的精度較高，而且比實(shí)際焊點(diǎn)偏“軟”，因此在實(shí)際操作過程中常用該種模式。

軌道交通車輛車體模型是一種大型的模型，在計(jì)算分析過程中對(duì)結(jié)構(gòu)做出恰當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化是有必要的，但是簡(jiǎn)化必須科學(xué)合理，符合客觀依據(jù)，在建模過程中還應(yīng)當(dāng)注意，盡量保持模型的原樣性，不要有太大的差距，特別強(qiáng)調(diào)對(duì)骨架結(jié)構(gòu)過渡圓角的保留。對(duì)于緊固件的模擬應(yīng)當(dāng)采用ACM 2類型的緊固件連接方式。

3　結(jié)語

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)不僅壽命周期長(zhǎng)、而且綜合成本低，具有良好的耐磨性、抗升溫能力和沖擊性能等優(yōu)點(diǎn)，可以充分保證車體的質(zhì)量、安全問題，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，不銹鋼車體的質(zhì)量水平也在不斷提高，在以后的發(fā)展道路中，應(yīng)大力支持開發(fā)研制不銹鋼車體，實(shí)現(xiàn)我國(guó)軌道車輛長(zhǎng)期穩(wěn)步發(fā)展。

[1]馬秋紅,楊志勇,徐雷等.輕量化不銹鋼車體制造工藝[J].機(jī)械制造,2014,52(09).

[2]劉軍,周傳誼.天津地鐵2號(hào)線車輛車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究,2014,17(01).