基于有限元的模塊化地鐵軌道車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

常天飛

（中車北京二七機車有限公司，北京100072）

0 引言

隨著我國軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展，軌道車輛的需求也與日俱增。系列化軌道車輛車體模塊的設(shè)計，可以保證設(shè)計和制造周期，滿足用戶的個性化需求，降低生產(chǎn)制造成本。通過有限元仿真計算指導(dǎo)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅能夠提高計算模型的準確度，同時可為車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進提供重要依據(jù)[1]。

1 車體結(jié)構(gòu)

模塊化車體結(jié)構(gòu)由牽引梁模塊、邊梁模塊、枕梁模塊、室體模塊與不同功率等級的機組梁模塊等組合，依據(jù)模塊化車體整車布局要求進行車體各部位設(shè)計，車體為大型板材和型鋼拼接組焊而成的框架式整體承載結(jié)構(gòu)，能夠保證該車體結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度。模塊化設(shè)計的目的是以品種、規(guī)格盡可能少的模塊組合成盡可能多的各種規(guī)格的產(chǎn)品，以滿足用戶的個性化需求[2]。

1.1 車體組成

車體主要由邊梁式承載結(jié)構(gòu)車架、動力室體以及Ⅰ、Ⅱ端司機室組成。其中，司機室與車架為螺栓連接；車架和動力室使用的材料為Q345B和Q345E型材和板材，材料屬性如表1所示；車體側(cè)墻、車架的結(jié)構(gòu)為插接和搭接形式，不僅提高了焊接性能，而且能保證車體組焊后的外形最大輪廓在要求的設(shè)計制造公差之內(nèi)。

表1 主要材料及其材料屬性

簡化非承載結(jié)構(gòu)，建立車體模型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 車體模型

車體強度和焊接強度按照TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》[3]和EN 12663：2010《鐵路應(yīng)用鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》[4]標準要求進行設(shè)計。依據(jù)車體內(nèi)各大部件的安裝方式進行車架的設(shè)計，盡量滿足模塊化各車型功率等級機組布置；同時，根據(jù)大部件的固定方式和檢修要求，布置側(cè)墻、隔墻、安裝座和機組梁的位置。

1.2 車架組成

車架主要由牽引梁、枕梁、邊梁、機組梁組成，邊梁在長度方向上縱向貫通，牽引梁和枕梁與邊梁組焊在一起，通過牽引梁、枕梁、機組梁的搭接接頭滿足車體寬度方向和縱向長度上的結(jié)構(gòu)調(diào)整，有利于保證車體的整體結(jié)構(gòu)尺寸。

1.3 室體組成

側(cè)墻由方形鋼管、折壓件和3 mm蒙皮板材組焊而成。其中，側(cè)墻上邊梁、百葉窗、玻璃窗的上下邊梁由型鋼和折壓件組焊而成，窗戶大小和位置可由模塊化的不同系列進行匹配布置，窗口是加工后組焊而成的。

主要設(shè)備及其重量如表2所示。

表2 主要設(shè)備及其重量

2 模塊化車體強度計算

根據(jù)車體模型設(shè)計并進行模型簡化，借助有限元計算對車體鋼結(jié)構(gòu)進行剛度和強度校核，主要采用標準為EN 12663：2010《鐵路應(yīng)用鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》。

計算載荷工況如表3所示。

3 邊界條件

在車體結(jié)構(gòu)強度有限元計算中，車體設(shè)備質(zhì)量以質(zhì)量單元的形式在計算模型中考慮，其他載荷根據(jù)載荷的作用方式分別以面載荷和節(jié)點載荷的形式作用于相關(guān)位置。約束條件根據(jù)不同的載荷工況具體確定，主要作用于轉(zhuǎn)向架和車體支撐面上。車體結(jié)構(gòu)離散為三維殼單元、實體單元，設(shè)備質(zhì)量離散為三維質(zhì)量單元，設(shè)備質(zhì)量與車體結(jié)構(gòu)的連接采用三維梁單元模擬[5]。

表3 計算載荷和約束

4 車體靜強度計算結(jié)果

4.1 剛度計算結(jié)果

通過有限元軟件ANSYS進行分析，在工況1條件下，即1.3倍整備重量工況下，車架的垂向最大撓度為向下的4.22 mm，發(fā)生在牽引梁前端板部位，如圖2所示。結(jié)論：剛度要求滿足整車0～10 mm的要求。

圖2 工況1剛度結(jié)果

4.2 靜強度計算結(jié)果與分析

利用有限元分析軟件ANSYS，依據(jù)7個工況進行加載并約束后進行求解，得到工況1至工況7的計算結(jié)果。

強度分析：由圖3應(yīng)力云圖可以看出，車體最大應(yīng)力109MPa，位于Ⅱ端枕梁旁承部位，而材料的許用應(yīng)力值為216 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

強度分析：由圖4應(yīng)力云圖可以看出，車體最大應(yīng)力145MPa，位于牽引梁從板處，而材料的許用應(yīng)力為216 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

圖3 計算工況1應(yīng)力云圖

圖4 計算工況2應(yīng)力云圖

強度分析：由圖5應(yīng)力云圖可以看出，車體最大應(yīng)力209MPa，位于Ⅰ端動力室和車架連接處，該位置為應(yīng)力集中區(qū)域，而材料的許用應(yīng)力為216 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

圖5 計算工況3應(yīng)力云圖

強度分析：由圖6應(yīng)力云圖可以看出，車體最大應(yīng)力258MPa，位于Ⅱ車體的吊車孔部位，而材料的許用應(yīng)力為300 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

強度分析：由圖7應(yīng)力云圖可以看出，車體最大應(yīng)力247MPa，位于Ⅱ車體的吊車孔部位，而材料的許用應(yīng)力為300 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

強度分析：由圖8應(yīng)力云圖可以看出，車體最大應(yīng)力209MPa，位于車體的動力室和車架連接處，而材料的許用應(yīng)力為300MPa，因此，該工況下車架強度合格。

強度分析：由圖9應(yīng)力云圖可以看出，車體最大應(yīng)力177MPa，位于車架的旁承孔內(nèi)部，而材料的許用應(yīng)力為300 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

在各計算工況作用下，對車體強度計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

5 結(jié)語

圖6 計算工況4應(yīng)力云圖

圖7 計算工況5應(yīng)力云圖

本文結(jié)合鐵路行業(yè)的相關(guān)標準規(guī)范，詳細地對模塊化地鐵軌道車車體結(jié)構(gòu)進行了剛度和強度工況的結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對軌道車車體組成的各模塊進行了詳細分析，確定了最大危險工況，在此基礎(chǔ)上，采用有限元方法，對車體結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)分析，得到了車架梁的應(yīng)力分布狀況和變形狀況。分析結(jié)果表明，設(shè)計符合相應(yīng)的標準要求。同時，本文的研究為模塊化地鐵軌道車車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。

圖8 計算工況6應(yīng)力云圖

圖9 計算工況7應(yīng)力云圖

表4 各計算工況作用下車架靜強度計算結(jié)果匯總

[1]鮑維千.機車總體及轉(zhuǎn)向架[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2]吳昌華.赴西德實習(xí)考察報告之四——車體部分[J].國外內(nèi)燃機車，1981（12）：46-53.

[3]鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范：TB/T 1335—1996[S].

[4]鐵路應(yīng)用 鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求：EN 12663：2010[S].

[5]商躍進.有限元原理與ANSYS應(yīng)用指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.