鋁合金地鐵車體剛度和靜強度仿真及有效性分析

王為輝,袁　磊（天津市地下鐵道運營有限公司,天津　300222）

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鋁合金地鐵車體剛度和靜強度仿真及有效性分析

王為輝,袁磊
（天津市地下鐵道運營有限公司,天津300222）

摘 要：隨著城市人口數量迅速增加，為緩解交通壓力，人們對地鐵車輛的依賴性日益明顯。如此廣泛的應用使得鋁合金車體性能的可靠性越來越受社會關注。然而，重量輕、運量大是鋁合金地鐵車體的優勢，也是產生車體強度問題、結構穩定性問題的主要因素。本文以某鋁合金地鐵作車為研究對象，對車體進行剛度、靜強度仿真分析，并根據計算結果對車體薄弱部位進行結構改進，使最終設計方案滿足車體剛度、靜強度要求。

關鍵詞：鋁合金地鐵車體；有限元法；剛度和靜強度；結構改進

1　引言

隨著軌道車輛研發技術水平的不斷提高，車體輕量化和高速化的需求，在車體新材料和新工藝方面的研究也越來越多，鋁合金材料以密度小、耐腐蝕、易于擠壓成型和密封性好等優點，鋁合金車體也被地鐵車輛越來越廣泛的應用[1]。與此同時，車體的性能指標以及設計水平也逐漸成為人們關心的重點。剛度與靜強度是車體性能分析中最基本的內容。國內外關于車體剛度和靜強度的研究，主要有仿真分析法和試驗分析法，兩者結合緊密、相輔相成。很數人利用有限元法，對地鐵、動車組等車體進行剛度、靜強度分析[2-3]。

2　車體有限元模型

在創建有限元模型時，充分考慮到了整車設計質量的問題，將對車體的整體及局部的剛度、強度有影響的位置都考慮在內。利用Hypermesh11.0軟件，車體薄壁部件主要以任意四節點等參薄殼Shell181單元為主，用梁單元beam188模擬鋼鋁之間的鉚接，設備質量采用質量單元mass21來模擬，并通過柔性元rbe3模擬與車體的連接關系，最終整車有限元模型離散后共有966869個殼單元（Shell181），1206個實體單元（Solid185），節點總數為858392。

3　車體剛度和靜強度分析

3.1計算工況

對車體進行有限元計算的8種工況為：垂向超員載荷工況（AW3剛度工況）、最大垂向超員荷工況（1.3×AW3）、縱向拉伸（960KN）+AW3、縱向壓縮（1200KN）+AW3、二位端部壓縮（150KN）+AW0（上邊梁高度處）、二位端端部壓縮（300KN）+AW0（窗臺高度處）、救援工況（三點支撐）、架車工況（一端吊起）。

3.2車體剛度和靜強度評價標準

根據GB/T7928-2003標準中規定[4]:在最大垂直載荷作用下的靜撓度不超過兩轉向架支撐點之間距離的1‰。為此，本文鋁合金地鐵車體兩轉向架支撐點之間距離為15700mm，車體中心線底架邊梁的最大垂向位移不超過15.7mm，車體相當彎曲剛度不得小于1.80×109N?m2。

根據該地鐵車體的結構特點及計算任務書的要求，本次評價車體所有材料的安全系數均為1.0，即σ≤[σ]。

3.3初始方案剛度和靜強度分析及評價

（1）剛度分析。在垂向超員載荷工況（AW3剛度工況）作用下，車體中部底架邊梁下翼邊緣的垂向位移為12.4mm，通過對該鋁合金車體剛度工況的有限元分析，可知：在超員載荷（AW3）作用下，車體中心線底架邊梁的垂向位移是12.4mm，小于車體設計值15.7mm，車體相當彎曲剛度3.69×109N?m2，大于規定的相當彎曲剛度1.80×109N?m2。為此，車體設計滿足剛度要求；

（2）靜強度分析。通過對鋁合金地鐵車體進行8種工況的靜強度計算，可知：1）在垂向超員載荷工況（AW3剛度工況）、最大垂向超員荷工況（1.3×AW3）、二位端部壓縮（150KN）+AW0（上邊梁高度處）、二位端端部壓縮（300KN）+AW0（窗臺高度處）、救援工況、架車工況的作用下，車體各部件的應力均小于其許用應力，滿足強度設計要求；2）在縱向拉伸（960KN）+AW3、縱向壓縮（1200KN）+AW3工況作用下，車體的某些部件應力大于許用應力，主要發生在一位端車鉤處、客室門上角處型材、二位端枕梁處地板型材等部位。因此需要對強度不足的部位進行結構改進，從而使車體各部件滿足強度要求。

3.4改進方案及計算結果

（1）改進方案。通過分析原方案中車體薄弱部位應力大的原因，主要是：一位端車鉤處結構縱向載荷不能經過牽引梁傳遞到車體后部，而引起車鉤座附近應力集中；客室門上角處型材由于板的厚度太薄，而導致了應力過大；二位端枕梁處地板型材，由于枕梁與底架邊梁連接處過度不夠平滑而導致了應力集中。為此，制定了如下改進方案：1）一位端車鉤處增加厚度均為8mm筋板，保證縱向載荷的傳遞；2）客室上門角處型材，進行補厚處理，板厚為6mm的板材；3）二位端枕梁，首先在枕梁內側進行補厚處理，厚度為6mm的鋁合金板材；然后在枕梁與底架邊梁處焊接一板厚為8mm的過渡筋板，數量為6個；最后在枕梁內側增加，蓋板為8mm，立板為12mm。

（2）改進方案后計算結果。改進后，通過對鋁合金地鐵車體剛度、靜強度的有限元分析，得到其8種計算載荷工況下的計算結果，可知：1）在超員載荷（AW3）作用下，車體中心線底架邊梁的垂向位移是12.1mm，小于車體設計值15.7mm，車體相當彎曲剛度為3.78×109N?m2，大于規定的相當彎曲剛度1.80×109N?m2。為此，車體設計滿足剛度要求；2）在8種計算載荷工況的作用下，車體的薄弱部位和安全裕量較小部位的應力都有一定程度的降低，并且車體各部件的應力均小于其許用應力，滿足靜強度設計要求。

4　結論

基于有限元仿真分析方法，本文鋁合金地鐵車體為研究對象，建立精確的仿真模型，并依據EN12663-2010對車體進行8種工況的剛度、靜強度仿真分析，根據車體剛度和靜強度的評價標準，進行評價分析。從結果得知，客室門上角、一位端車鉤、二位端枕梁等處出現應力集中，強度不足的問題。為此，對車體薄弱部位進行結構改進，經過重新計算后，車體滿足剛度和強度設計要求，為車體有限元仿真分析及設計奠定基礎。

參考文獻：

[1]雷成,肖守訥.地鐵鋁合金車體的結構設計和強度分析[J].機車電傳動,2006(01):55-56.

[2]米彩盈.高速動力車車軸強度分析的工程方法[J].鐵道學報,2002(02),379(09):11-13.

[3]張志華.動車組鋁合金車體結構強度分析[D].北京交通大學,2007.

作者簡介：王為輝（1989-），男，助理工程師，碩士，主要從事地鐵車輛電氣牽引系統等方面的研究，以及車輛CAD/CAE及其關鍵技術、焊接殘余應力與變形方面的研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.212