某地鐵車(chē)體靜強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

李婭娜+張宇婷+韓肖

摘要：為優(yōu)化某地鐵中間車(chē)結(jié)構(gòu)，縮短設(shè)計(jì)周期，建立車(chē)體有限元分析模型；依據(jù)EN 12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算車(chē)體有限元模型在主要工況下的應(yīng)力分布，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.大多數(shù)點(diǎn)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很接近，誤差大多數(shù)在10%以?xún)?nèi)，表明計(jì)算建?？煽?；同時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別誤差較大點(diǎn)所在位置，分析誤差產(chǎn)生的原因.

關(guān)鍵詞：地鐵； 車(chē)體； 有限元； 應(yīng)力； 試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： U270.33； TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：To optimize the structure of a subway middle car and shorten the design cycle， a finite element analysis model of car body is built. According to the standard EN 12663-2010， the stress distribution of the finite element model is calculated in the main cases， and the simulation result is compared with the test data. The simulation results of most of the points are very close to the test data and the most errors are within 10%. It shows that the model for calculation is reliable. At the same time， a few points with large error are located and the causes are analyzed.

Key words：subway； car body； finite element； stress； test

0 引 言

隨著城市人口的急速增長(zhǎng)，地面車(chē)輛增加較快，交通擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重.地鐵車(chē)具有運(yùn)量大、速度快、運(yùn)營(yíng)模式靈活以及節(jié)約地面空間等優(yōu)勢(shì)，對(duì)大城市交通的積極作用日益被人們所認(rèn)識(shí).[1-4]隨著軌道車(chē)輛輕量化和高速化的需求及鋁型材加工技術(shù)的不斷提升，作為地鐵車(chē)的一種新思路，鋼鋁混合車(chē)以其集合鋁材料質(zhì)量輕和鋼材料強(qiáng)度高兩者的顯著優(yōu)點(diǎn)[5]，在世界各國(guó)城市交通和鐵道運(yùn)輸領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.

有限元分析已被證明是一種經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計(jì)分析手段.[6]有限元分析的正確性和精確性依賴(lài)于分析全過(guò)程每個(gè)環(huán)節(jié)誤差的控制，及其環(huán)環(huán)相扣的誤差積累程度，可能的誤差包括：1）幾何模型本身的誤差，例如車(chē)體各部分板厚、焊接關(guān)系以及部件之間的連接關(guān)系；2）幾何模型在有限元離散過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，包括網(wǎng)格的離散、連接關(guān)系的處理、邊界條件的近似和載荷條件的近似等多種因素；3）有限元分析中代數(shù)方程組求解過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，例如單元?jiǎng)偠染仃嚁?shù)值積分、迭代求解的近似計(jì)算誤差、計(jì)算機(jī)的舍入誤差等；4）有限元計(jì)算軟件系統(tǒng)的編程誤差.要獲得正確可靠的分析結(jié)果，每一階段的誤差都不能忽視.[7]

對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，判斷分析結(jié)果準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)是其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的符合程度.針對(duì)地鐵列車(chē)車(chē)體的結(jié)構(gòu)和承載特點(diǎn)，基于有限元建模軟件HyperMesh和性能分析軟件ANSYS，建立某地鐵中間車(chē)體有限元模型，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析評(píng)價(jià)車(chē)體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度，并將車(chē)體靜強(qiáng)度5個(gè)工況的仿真結(jié)果與試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，討論仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間差異的影響因素.

1 車(chē)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該地鐵車(chē)體的主體結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、端墻和車(chē)頂組成.車(chē)體基本結(jié)構(gòu)是底架無(wú)中梁的鋁合金整體承載焊接結(jié)構(gòu)，側(cè)墻斷面為鼓形.側(cè)墻、端墻和車(chē)頂為鋁合金結(jié)構(gòu)，底架為鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，其中緩沖梁、枕梁為鋼結(jié)構(gòu)，其余如地板、橫梁等為鋁合金結(jié)構(gòu).整體采用筒形結(jié)構(gòu)，傳力結(jié)構(gòu)為整體承載方式，即車(chē)體關(guān)鍵受力部位在承受外部變載荷后，通過(guò)焊接在一起的型材將外部載荷傳遞到車(chē)體各個(gè)部位，進(jìn)而車(chē)體發(fā)生相應(yīng)變形.[8-10]車(chē)體進(jìn)行組裝時(shí)，車(chē)頂、側(cè)墻、端墻和底架結(jié)構(gòu)間采用焊接方式連接，鋁合金結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)之間鉚接連接，確保連接可靠.

2 車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

2.1 車(chē)體有限元模型

根據(jù)該地鐵車(chē)幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，具體建模描述如下.

1）車(chē)體大部分結(jié)構(gòu)，如車(chē)頂、側(cè)墻、端墻、底架等，采用4節(jié)點(diǎn)薄殼單元（SHELL181）模擬，充分考慮橫向的剪切剛度.作為承載的主要結(jié)構(gòu)，車(chē)體底架劃分網(wǎng)格時(shí)使用較小的網(wǎng)格，尺寸為15～20 mm.車(chē)頂側(cè)墻中部結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，除窗角、門(mén)角外應(yīng)力一般不太大，因此采用較為稀疏的網(wǎng)格，尺寸為20～30 mm.

2）車(chē)體上鋁合金結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)存在鉚接工藝，建模時(shí)用BEAM188單元模擬；鋁合金型材搭接部位的焊接關(guān)系用RIGID剛性單元模擬.

3）車(chē)體模型無(wú)重力加速度，車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量用質(zhì)量單元的形式平鋪在地板面上，以完全模擬試驗(yàn)過(guò)程.車(chē)頂2組空調(diào)質(zhì)量均為0.7 t，用質(zhì)量單元MASS21模擬，并用RBE3單元吊在車(chē)頂相應(yīng)位置，其他設(shè)備以質(zhì)量單元的形式平鋪在地板面上.

2.3 計(jì)算載荷工況和約束

根據(jù)EN 12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該地鐵車(chē)以5種工況進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比.各載荷工況施加見(jiàn)表1.工況1～4采用的位移約束均為：二位端車(chē)鉤座處約束縱向位移；中心銷(xiāo)處約束橫向位移；4個(gè)空氣簧處約束垂向位移.工況5采用的位移約束為：二位端車(chē)鉤座處約束縱向位移；二位端中心銷(xiāo)處約束橫向位移；二位端2個(gè)空氣簧處約束垂向位移；一位端復(fù)軌位約束垂向位移.

工況編號(hào)工況名稱(chēng)載荷說(shuō)明

1超員載荷（1.3×AW3）工況垂向載荷：1.3×（整備狀態(tài)下的車(chē)輛自重+ 超載時(shí)的乘客質(zhì)量）

2壓縮組合

工況壓縮載荷：壓縮力800 kN（沿車(chē)體中心線(xiàn)施加在車(chē)鉤處）

垂向載荷：整備狀態(tài)下的車(chē)輛自重 + 超載時(shí)的乘客質(zhì)量

3拉伸組合

工況拉伸載荷：拉伸力640 kN（沿車(chē)體中心線(xiàn)施加在車(chē)鉤處）

垂向載荷：整備狀態(tài)下的車(chē)輛自重+ 超載時(shí)的乘客質(zhì)量

4二位端部腰帶高度壓縮工況壓縮載荷：壓縮力300 kN（沿車(chē)體中心線(xiàn)施加在二位端腰帶高度）

垂向載荷：整備狀態(tài)下的車(chē)輛自重

5復(fù)軌工況垂向載荷：1.1×（整備狀態(tài)下的車(chē)輛自重+轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量7 t）（轉(zhuǎn)向架質(zhì)量施加于二位端中心銷(xiāo)處）

2.4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

使用ANSYS軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)該車(chē)體的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，5種計(jì)算載荷工況下的最大von Mises應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，該地鐵車(chē)體的靜強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.以上5種工況下車(chē)體的最大應(yīng)力及其發(fā)生部位見(jiàn)表2.

3 仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)概況

在樣車(chē)的靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，空調(diào)質(zhì)量以配重方式施加到空調(diào)位置，吊裝和內(nèi)裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量通過(guò)配重進(jìn)行補(bǔ)償，均布載荷通過(guò)多個(gè)氣缸垂直施加在枕木上，最終傳遞至車(chē)體地板.以超員載荷（1.3×AW3）工況為例，垂向載荷試驗(yàn)步驟為：1）傳感器信號(hào)清零；2）逐步施加垂向載荷，使車(chē)體總質(zhì)量為

m0；3）采集數(shù)據(jù)；4）逐步施加垂向載荷，使車(chē)體總質(zhì)量等于m1；5）采集數(shù)據(jù)；6）逐步施加垂向載荷，使車(chē)體總質(zhì)量等于m1+m2；7）采集數(shù)據(jù)；8）逐步施加垂向載荷，使得車(chē)體總質(zhì)量等于1.3（m1+m2）；9）采集數(shù)據(jù)；10）卸掉垂向載荷；11）檢查傳感器信號(hào)是否回到零位.其中：m0為準(zhǔn)備好用于試驗(yàn)的車(chē)體質(zhì)量；m1為整備狀態(tài)下的車(chē)體質(zhì)量；m2為最大有效載荷.因篇幅有限，其他工況垂向載荷的試驗(yàn)步驟不詳細(xì)說(shuō)明.縱向載荷通過(guò)縱向加載設(shè)備施加在相應(yīng)部位.車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖2.

試驗(yàn)樣車(chē)車(chē)體上共安裝185個(gè)單向應(yīng)變片，8個(gè)三向應(yīng)變片，測(cè)試的總體布點(diǎn)見(jiàn)圖3，部分主要布點(diǎn)見(jiàn)圖4.這些測(cè)試點(diǎn)中大部分采用二向應(yīng)變片，僅在一些受力復(fù)雜的部位需用三向應(yīng)變片.在有限元模型中找到與試驗(yàn)時(shí)貼片位置大體相一致的點(diǎn)進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，確保結(jié)果可靠.

3.2 仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力，選擇測(cè)試應(yīng)力值較大的點(diǎn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，繪制直方圖，見(jiàn)圖5～9.

由該地鐵中間車(chē)車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，2種結(jié)果具有很好的一致性，說(shuō)明車(chē)體性能仿真模型可以很好地反映車(chē)體結(jié)構(gòu)的實(shí)際傳力特性和車(chē)體的實(shí)際承載能力.總體來(lái)看，多數(shù)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，誤差大多在10%以?xún)?nèi)，但個(gè)別測(cè)點(diǎn)誤差較大，具體為：在工況1和2中，測(cè)點(diǎn)A30誤差分別為44.32%和24.58%，主要原因是由于窗邊型材結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化；在工況2和3中，測(cè)點(diǎn)A32誤差分別為10.33%和30.28%，誤差原因可能是窗邊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化與實(shí)際結(jié)構(gòu)有一定差異；在工況4和5中，測(cè)點(diǎn)B06誤差分別為18.52%和14.12%，焊縫附近測(cè)點(diǎn)誤差較大的原因可能是門(mén)角焊的焊角焊高等特征在有限元模型中并未體現(xiàn)，使得焊縫附近的力的傳遞路線(xiàn)有所改變；在工況4中，測(cè)點(diǎn)E13誤差為27.64%，原因可能是枕梁下蓋板與邊梁焊接處過(guò)渡圓弧簡(jiǎn)化.

此外，板材加工誤差和車(chē)體裝配誤差，應(yīng)變片漂移的影響和測(cè)試區(qū)域應(yīng)力梯度的變化等不可控制因素都會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果產(chǎn)生一定誤差.

4 結(jié) 論

1）對(duì)某地鐵中間車(chē)車(chē)體建模計(jì)算，車(chē)體5種靜強(qiáng)度的von Mises應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力，車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

2）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性，因此，所建立的有限元仿真模型能有效反映車(chē)體結(jié)構(gòu)的實(shí)際傳力特性以及車(chē)體的實(shí)際承載能力.

3）由于建模過(guò)程中簡(jiǎn)化部分圓角過(guò)渡區(qū)域，如門(mén)角和窗角等，使得計(jì)算應(yīng)力與測(cè)試應(yīng)力的誤差超出10%，所以在對(duì)車(chē)體進(jìn)行有限元仿真時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些部位.

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（編輯 武曉英）