城市地鐵車車體強度有限元分析及模態分析

徐帥

摘 要：隨著我國城市化的發展，城市軌道交通的地位變得越來越重，具有高效、快捷、舒適、客運量大等優點的地鐵已經成為城市軌道交通中最常見的一種。然而，任何事物都是一把雙刃劍，地鐵為人們提供了方便，但一旦發生安全事故，其后果是無法想象的。歷史上有很多次地鐵安全事故都源于車體強度問題和振動問題。因而，對新設計的車體結構進行強度校核和模態分析具有顯著的社會意義和經濟意義。地鐵是城市軌道交通的一種，一般由車體、轉向架、制動裝置、風源系統、電氣傳動控制、輔助電源、通風、采暖與空調、內部裝修及裝備、車輛連接裝置、受流裝置、照明、自動監控系統等組成。地鐵車型往往被分為A、B、C三種型號，三種車型的主要區分是車體寬度，A型地鐵列車：長22.8米，寬3米；B型地鐵列車：長19米，寬2.8米；C型地鐵列車：長19米，寬2.6米。一般A型、B型車最常見，C型車一般比較少見，因其運輸能力有限，在交通比較擁擠的城市無法容納高峰客流。本文的目的是在現有幾何模型的基礎上建立該地鐵車車體的有限元模型并對車體進行強度分析和模態分析，了解在工況下車體的變形及應力情況，為檢驗設計是否符合標準提供依據。通過模態分析可以了解車體部件的固有頻率以確定出車體振動頻率的危險頻率段，從而可以確定車體在什么樣的載荷下工作不會發生共振。

關鍵詞：地鐵；車體強度；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.088

1 引言

本課題擬根據某城市地鐵車車體的實際幾何結構，在HyperMesh軟件環境下建立與幾何結構相符的中面模型，并在中面模型上進行網格劃分，建立完整的有限元模型，然后根據相應的技術規范中的要求，在ANSYS軟件中進行強度分析和模態分析計算。結果顯示，車體在相應靜強度工況下應力分布較合理，最大應力不超過材料屈服極限，滿足設計要求；模態分析得到車體一階垂向振動頻率為13.5575Hz，一階扭振頻率為18.1975Hz。所得計算結果可以為工程設計人員提供理論指導。

2 計算模型

本課題研究的某城市地鐵車體是鋼鋁混合結構：車頂、側墻、底架、端墻采用以型材為主要結構形式的鋁合金材料，牽引梁、緩沖梁、枕梁采用高強度鋼結構，鋼結構與鋁合金結構間通過鉚釘相連。

2.1 材料參數

該車主要部位材料匯總如表1，由表可知，車體主要材料為鋁型材，鋁合金車體的特點是利用鋁的相對體積質量約為普通鋼的三分之一這一點來減輕車體自重。鋁合金車體的自重一般可達到普通鋼車體的二分之一。

2.2 車體幾何模型

其地鐵車體幾何結構及有限元模型如圖1。

2.3 有限元模型

使用殼單元對車體幾何模型進行網格劃分，單元類型為shell181。

3 車體靜強度分析計算

3.1 工況條件

依據EN12663-2010標準，計算了車體在整備（AW0）工況下的結構變形與應力分布情況，工況約束與載荷如下：

車體承受整備重量30噸，重量平鋪在車體地板上；底架空氣彈簧處施加垂向與橫向約束，車鉤座處施加縱向約束；約束圖如圖2。

評定標準：在各計算工況作用下，車體部件的應力均不得大于部件的屈服極限。不同材料的屈服極限：鋁：215MPa、鋁焊縫：115MPa、鋼：690MPa。

3.2 計算結果

得到計算結果如圖4圖5所示，圖中給出了該計算工況作用下靜強度的變形云圖和Von-Mises應力云圖。

由上述工況計算結果可得，該地鐵車體主體結構應力均小于材料的屈服極限，安全系數均大于1.15。表1為靜強度工況計算結果匯總。

4 車體模態分析

對本車體結構進行了模態分析，表2列出了前3階模態分析結果。

5 結語

本次計算對某城市地鐵四號線地鐵車車體結構進行了有限元分析及模態分析，計算結果表明：考慮安全系數為1.15，靜強度工況下，車體主體結構應力均小于材料的許用應力，結構設計滿足強度要求。

由模態分析結果可見：整備狀態模態一階垂向振動頻率為13.558Hz。通過模態分析了解結構發生共振的頻率段，這樣就可以知道在什么樣的外載荷下會有危險，從而避開這些載荷。

進行強度分析、模態分析的這一整個過程中發現這一系列步驟可謂是環環相扣，幾何模型沒有處理好就建不出高質量的有限元模型，而有限元模型的建立又是關鍵的一步，也是很容易出錯的一步，若是有限元模型有差錯便會直接影響到強度分析和模態分析的結果。因此，要想最終得到滿意的結果，扎扎扎實實做好每一步才是關鍵。

參考文獻：

[1]曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]梁醒培.應用有限元分析[M].北京：清華大學出版社，2010.