基于ANSYS的A型地鐵車體強度分析研究

吳迪+王志俊+曲凌云+張福李+杜建強

摘 要：本文介紹了薄壁鼓形整體承載式鋁合金A型地鐵車體結構特點，并以A型地鐵車體結構為研究對象，運用有限元分析軟件ANSYS進行了力學承載特性分析，得到了車體結構在給定工況下所產生的應力。結果表明該鋁合金A型地鐵車體的強度符合地鐵車輛安全性、可靠性的要求。同時為同類型車體結構的優化改進提供了參考依據。

關鍵詞：A型地鐵；車體結構；ANSYS；強度

中圖分類號：U270.387 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0061-03

1 引言

隨著城市化進程的加快城市人口密度迅速增長，城市出行交通壓力巨大。因此，舒適、環保、便捷的城市軌道交通成為各大中型城市公共交通體系的重要組成部分。鋁合金A型地鐵列車具有車體強度高、載客空間大、舒適性好以及安全可靠性高的特點，在城市軌道交通建設中所占比例大幅提升。

2 鋁合金A型地鐵車體結構特點

鋁合金A型地鐵車體采用鼓形整體承載式結構，由大型中空的薄壁鋁合金型材組焊而成，主要分為底架、側墻、車頂、端墻和司機室五大模塊，如圖1所示。

底架模塊由地板、邊梁、端梁和牽枕緩等零部件組成，為車體絕大部分電氣設備提供安裝接口。側墻模塊由一位側墻和二位側墻兩部分組成，對稱分布在車體兩側。車頂模塊采用高低頂結構，由平頂、圓頂和車頂邊梁等零部件組成，平頂結構可為空調系統提供安裝接口。端墻由端墻板、門立柱和梁等零部件組成，可為貫通道提供安裝接口。司機室由玻璃鋼外罩和司機室骨架等零部件組成，采用流線型設計，安裝在頭車前端，其端部設有碰撞吸能區，在列車發生碰撞時此區域變形，吸收撞擊產生的能量保證乘客的生命安全。

鋁合金A型地鐵車體采用輕量化設計，有效減輕車體重量的同時具有很好的隔音隔熱性能，并且能夠承受不同工況下產生的橫向、縱向及垂向載荷。

3 鋁合金A型地鐵車體有限元模型

鋁合金A型地鐵車體結構主要采用4節點等參薄殼單元模擬主體結構，用質量單元模擬附加結構的質量以及分布位置，并通過RIGID單元或RBE3單元及其相鄰的有限元結構連接，在下門角補強部位等結構采用六面體實體單元模型[1]。殼單元的尺寸（長度）在大多數的結構部件中的典型長度約為15-20mm，在細化區域則小一些，長度約為4-6mm。本車體有限元模型單元總數為3843409，節點總數為3260943。車體結構的網格劃分如圖2所示。

4 車體計算載荷工況

依據EN12663：2010標準[2]和IIW-2008標準[3]，計算了18種載荷工況作用下車體的靜強度、剛度以及3種載荷工況作用下車體的疲勞強度，現針對車體靜強度進行詳細分析計算，載荷工況如表1所示。

5 車體靜強度結果分析

各載荷工況計算結果如表2所示。

根據表2的結果可以得出：所有計算工況作用下，車體的最大Von.Mises應力均小于車體部件所用材料的許用應力，符合EN12663：2010《鐵路應用-鐵路車輛車體的結構要求》標準，滿足靜強度要求。車體的最大Von.Mises應力發生在第7種工況下司機室立柱母材處，應力值為156.765MPa，上下門角補強板區域、牽引梁下蓋板區域和司機室立柱母材區域為應力集中高發區域，應力云圖如圖3所示。

6 結語

（1）通過有限元分析可以有效模擬出車體結構在各種極限工作條件下發生最大應力集中的區域，為車體結構的設計改進提供了理論依據，是提升產品質量、縮短設計周期的有效手段。

（2）本文中鋁合金A型地鐵車體在各種工況下的應力水平均小于對應結構的許用應力，滿足相應標準的要求。

（3）本文的車體強度分析為鋁合金A型地鐵的結構優化設計提供了依據。

參考文獻

[1]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數值方法.北京：清華大學出版社，2000.

[2]EN 12663 ：2010《鐵路應用——鐵路車輛車體結構要求》.

[3]IIW-2008《RECOMMENDATIONS FOR FATIGUE DESIGN OF WELDED JOINTS AND COMPONENTS》.