100%低地板輕軌車輛車體設計分析

馬青春

(中國北車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥工程師)

自從20 世紀90年代100%低地板車輛問世以來，其發展已經歷了三代，現在在世界20 個國家近60 個城市運行。

100%低地板車輛具有如下特點:① 環境影響小，采用彈性車輪電力牽引，可減小對城市空氣的污染，可減少噪聲污染;② 造價低，節約投資;③ 人性化設計，舒適度高，站臺簡易，成本低，同時方便乘車;④ 擁有成熟的運營管理先進技術;⑤ 能耗低，低地板輕軌車能耗約為地鐵系統的十分之一，綜合電耗小于地鐵系統的一半;⑥ 模塊化設計，編組靈活，滿足各種不同的載客能力需求。

1 100%低地板車輛車體結構

100%低地板車輛距軌面的距離非常低，所以對轉向架的要求變得很高。車下的所有設備幾乎全部集中在了車上，整體的設備布置完全不同與常規的地鐵車輛，所以對鋼結構的設計提出了新的要求。

1.1 車輛

100%低地板車輛也是由底架、側墻、端墻、車頂這4 大部件構成，采用整體承載的高強度不銹鋼組焊而成。如圖1所示。

圖1 100%低地板車輛的主要部件

1.2 模塊

100%低地板車輛根據用戶需求的不同，可采用3 模塊、5 模塊或7 模塊設計，也可以根據后續需求的變化進行調整和擴充模塊，如圖2所示。

圖2 車輛編組模塊圖

2 車體設計

2.1 設計思路

100%低地板車輛是在借鑒歐洲先進的100%低地板輕軌車輛設計的基礎上，揚長避短，設計的新一代產品。其外觀是按照仿生學設計而成，采用海豚的造型，大氣、靈動。與其他地鐵或者輕軌車輛不同，該車輛徹底打破了傳統設計理念，回避了不銹鋼車體的繁瑣，也回避了鋁合金車輛的折彎不靈活的缺陷，集不銹鋼和鋁合金的優點于一身，采用不銹鋼材料，但是用了鋁合金的設計理念，創造出了一個全新的車體。

由于車下完全沒有設備空間，所以所有的設備幾乎全部在車頂上，這就要求車頂既要輕，強度又要好。

同時，底架、端墻、側墻采用高強度的進口不銹鋼拼焊而成，盡可能多地增開減重孔，如圖3所示。由于之前國內地鐵車輛不銹鋼焊接基本上都是采用點焊，而大規模的不銹鋼開孔弧焊在國內尚屬首次。

圖3 車體組成

2.2 結構構成

2.2.1 底架

底架主要由6 mm 和10 mm 厚的鋼板拼焊而成，并大面積增開減重孔，主要分為客室座椅區和前端司機室區，該底架的主要難點在于焊接變形大，難以控制，成型困難，并且其流線造型也是難點之一。三維模型如圖4所示。

圖4 底架三維模型

2.2.2 車頂

車頂是車體中一個核心組件之一，100%低地板車輛的車頂與其他地鐵車輛的車頂有所不同，它主要是承載著眾多電氣設備和線纜。其結構主要是以3mm 厚的不銹鋼板折彎組焊成封閉的帶有空腔的梁柱為承載主要部件，并以三明治板鋪在各個橫梁上面，設備布設在三明治板上，線纜從密封的空腔縱梁內穿過，如圖5所示。

圖5 車頂三維模型

2.2.3 端墻

端墻是3 mm 厚的高強度不銹鋼，組焊成近似封閉的空腔體，最后與底架、側墻、車頂周圍進行焊接。如圖6所示。

圖6 端梁斷面圖

2.2.4 側墻

整個側墻采用大窗設計，但是出于強度和剛度的考慮，側墻是采用4 mm 厚的高強度不銹鋼折彎焊接后組成的立柱與墻板進行的焊接組合。使側墻既美觀，強度、剛度又好。如圖7所示。

圖7 側墻三維圖

2.3 接口關系

各個主要部件的接口均為焊接，底架與端墻底部和側墻下部分別進行焊接，車頂與側墻和端墻上部分別進行焊接，如圖8所示。

圖8 接口剖面圖

2.4 車體強度分析

100%低地板車體在設計完成后，對其進行了有限元強度分析，從靜態強度、疲勞、模態等幾個方面進行了分析。

2.4.1 車體靜強度分析

圖9 為車體網格及強度加載模型。圖10 為靜態強度應力云圖。

圖9 車體網格及強度加載模型

圖10 靜態強度應力云圖

車體最大應力為300 MPa，遠低于其屈服強度480 MPa，完全滿足車體運營需求。

2.4.2 車體疲勞分析

圖11 為車體疲勞計算模型。圖12 為車體疲勞分析云圖。

圖11 車體疲勞計算

圖12 車體疲勞分析云圖

從以上分析可以看出，車體的疲勞在安全范圍以內，符合運營和設計要求，安全可靠。

2.4.3 車體模態分析

圖13 為車體模態分析云圖。通過圖13a)-h)的模態分析可知，車體性能良好，符合設計要求。

3 結語

對于100%低地板車輛，由于綠色、安全、環保，且出行方便舒適，越來越被現在都市所接受，本文以車體最新的設計要求和理念，對車體構成、設計，強度分析，接口關系等幾方面進行了全面的闡述和分析，希望對今后100%低地板的設計和發展有所幫助。

圖13 車體模態分析云圖

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