閉口型材磁浮車輛車體的結構優化*

張 文 丁旺才 李國芳 張學山

(1.南京鐵道職業技術學院動力工程學院，210031，南京;2.蘭州交通大學機電工程學院，730070，蘭州;3.北京控股磁懸浮技術發展有限公司，100029，北京∥第一作者，助教)

城市軌道交通的發展為現代城市緊張的交通提供了很多便利，磁浮車輛作為城市軌道交通方式的一種，也受到了一定程度的重視。我國從20 世紀80年代起就開始了對磁浮技術的研究，如今，我國已經開始自主研發磁浮車輛。

北京控股磁懸浮技術發展有限公司是我國擁有自主知識產權的中低速磁浮交通系統供應商。公司以技術研發、工程管理、車輛制造、服務體系為基礎，依托工程化體系合作單位，實現了交鑰匙工程的磁浮交通系統建設模式。

本文以北控磁懸浮公司的車輛為研究對象，對其進行有限元分析與結構優化。

目前城市軌道交通車輛的車體主要由大型中空鋁型材組成，又稱為閉口型材或者雙殼結構。中空材料根據材料本身所具有的面外剛度高的特性，可以省略在單殼結構中必須使用的加強材料，從而能夠減少零部件數量，簡化工藝。因此，在進行磁浮車輛車體結構設計時亦采用閉口型材。

1 閉口型材車體強度分析

1.1 閉口型材車體有限元模型

根據磁浮車輛車體的實際設計參數，建立了閉口型材車體有限元模型，參見圖1。

圖1 整車模型

1.2 載荷加載

根據磁浮車輛運行時的受力情況，本文設計了14 種靜強度計算工況，如表1所示。

表1 靜強度計算工況

1.3 靜強度計算

將經Hypermesh 軟件處理完成的有限元模型導入Ansys 軟件中進行計算。通過Ansys 軟件的靜強度分析，得到了14 種工況下應力及應變的云圖，下面僅列出車體模型部分部位最大應力超過屈服強度的云圖。

在第1 種靜強度計算工況中，中梁與端梁的連接處(如圖2所示)最大應力為459.222 MPa，超過了此處的材料屈服強度(215 MPa)。

在第2 種靜強度計算工況中，中梁與端梁連接處的最大應力為371.888 MPa，超過了此處的材料屈服強度(215 MPa)，如圖3所示。

在第6 種靜強度計算工況中，即提升整個車輛的強度與變形情況，司機室門柱下角(如圖4所示)，最大應力為319.663 MPa，超過了此處的材料屈服強度(215 MPa)。

在第12 種靜強度計算工況中，中梁與端梁連接處的最大應力為460.248 MPa，超過了此處的材料屈服強度(215 MPa)，如圖5所示。

圖2 第1 種靜強度計算工況應力云圖

圖3 第2 種靜強度計算工況應力云圖

圖4 第6 種靜強度計算工況應力云圖

圖5 第12 種靜強度計算工況應力云圖

2 結構優化方案

由上述強度計算結果可知，工況1、2 和12 中出現應力過大，而且應力集中部位發生在中梁與端梁連接處。經分析認為，中梁C 形槽的游離邊的尖點與端梁相接處發生了應力集中現象。

工程上經常有以下3 種處理方法:一是切除C 槽游離邊;二是切斷中梁與端梁的聯系;三是加截面均勻變化的筋板來消除應力集中。考慮到切除C 槽游離邊只是將應力集中點轉移，而中梁是車體上傳遞縱向力的重要部件，所以做了部件結構上的改動，改進前、后中梁端連接處的結構如圖6、圖7所示。

圖6 改進前中梁端梁連接處的結構

圖7 改進后中梁端梁連接處的結構

在第6 種工況中司機室門柱的下角也發生了應力超標的情況。經分析，由于結構設計的需要，此處是在邊梁端部進行局部切除后截面突然變小的部位。為了消除應力集中在此部位增加了過渡圓角。改進前、后司機門柱結構如圖8、圖9所示。

圖8 改進前的司機室門柱結構

圖9 改進后的司機室門柱結構

3 優化后車體的強度分析

將優化后的車體模型導入Ansys 軟件中進行計算，發現所有部位的應力值都降到了材料屈服應力值以下。

現將優化后車體的強度分析結果列出，僅列出之前應力超標的第1、2、6、12 種工況下應力云圖如圖 10～圖 13所示。

4 結語

在研究過程中，車體強度計算是車輛設計過程中最為重要的一部分，因此，本文通過Ansys 軟件對磁浮車輛有限元模型進行了靜強度分析。

圖10 第1 種靜強度計算工況應力云圖

圖11 第2 種靜強度計算工況應力云圖

圖12 第6 種靜強度計算工況應力云圖

圖13 第12 種靜強度計算工況應力云圖

(1)根據磁浮車輛的受力情況，本文設計了14種靜強度分析的工況，計算了閉口型材車體的應力云圖。結果表明，在工況1、2、6、12 中出現了車體部位應力過大的情況。

(2)根據計算所得的應力值，對出現最大應力的部位進行了結構上的改進，并將改進后的結構進行靜強度分析。結果表明，結構優化后的車體消除了之前出現的應力過大的情況。

車體結構設計要以滿足強度標準的條件為基礎，本文作為基礎設計部分為磁浮車輛的軟件結構設計提供了參考數據。

［1］韓志仁，陶華，黃赟.機械設計中有限元分析的幾個關鍵問題［J］.機械設計與制造，2004，(2):58.

［2］戶取征二郎(日).日本鋁合金車輛的最新技術與發展趨勢［J］.國外鐵道車輛，2002，39(2):7.

［3］程祖國，李莉，朱劍月，等.地鐵鼓形鋁合金車體承載結構設計要點及限界校核［J］.電力機車與城軌車輛，2003，26(4):25.