地鐵鋁合金頭車車體疲勞強度分析

楊培義

（鄭州鐵路職業技術學院機車車輛學院，鄭州450046）

0 引言

地鐵鋁合金車體具有輕量化、隔音、隔熱等特點，并且減重效果好、耐腐蝕性強、運行平穩性好，在城市軌道交通中應用極為廣泛。在目前城軌車輛合同中，都有車體使用壽命的要求，且一般要求是30 年，因此車體疲勞強度的評定是車體可靠性設計的一項重要指標[2-3]。在交變載荷作用下，采用模塊化結構的地鐵鋁合金車體的疲勞破壞往往表現在應力集中較嚴重的焊縫接頭、螺栓和鉚釘部位[1-2]。因此，車體焊縫、螺栓和鉚釘連接應該是車體結構疲勞評估的主要關注點[3]。

本文依據EN12663-1:2010 和EN 1999-1-3:2007標準，采用有限元軟件ANSYS、Ncode Designlife 對某地鐵列車頭車結構的疲勞強度進行計算分析。

1 地鐵頭車鋁合金車體的有限元模型

1.1 車體有限元模型的建立

該型地鐵列車頭車為鋁合金焊接結構，焊接形式主要包括角焊、對接焊和搭接焊。綜合車體結構的幾何形狀、受力特點以及對計算精度的要求，在采用ANSYS 軟件建立頭車車體的有限元模型時，車體結構采用殼單元離散，主要設備按照其安裝點的實際位置，以集中載荷的形式平均作用在相應的節點上[4]，焊縫以焊縫處節點重合的形式模擬。有限元模型采用整車建模，共有1029249 個節點和1317874 個單元。頭車有限元模型如圖1 所示。

圖1 地鐵鋁合金車體頭車的有限元模型

有限元模型中結構、設備及承載的質量符號說明如表1 所示。

表1 質量符號說明

1.2 頭車車體疲勞強度的計算工況

依 據EN12663-1:2010 和EN 1999-1-3:2007 標準，確定了對車體結構進行疲勞強度計算的15 種載荷工況，如表2 所示。

表2 疲勞強度計算工況

2 疲勞強度驗收標準

為了保證頭車車體30 年的最小使用壽命，使用疲勞極限設計方法對車體結構進行疲勞壽命的評估。材料在某一常幅應力下壽命達到2×106周期，并將此應力定義為材料的疲勞極限應力。對于某個確定的連接部位，取其相應應力范圍曲線上1×107周期處的疲勞容許用應力值。

根據提供的車輛使用環境（包括線路長度、沿途站點個數、使用年限、每天運營時間等）在AW2 下有關乘客的兩個疲勞工況根據30 年的最小使用壽命計算出的壽命周期分別為3.395×105和2.037×106。

2.1 焊縫的疲勞許用應力

頭車車體主要的焊縫位置如圖2 所示。

圖2 車體主要焊縫

根據標準EN 1999-1-3:2007 對焊縫的要求，頭車車體各個焊縫的疲勞強度如表3 所示，中t 表示板厚（單位mm）。

表3 不同焊縫類型的疲勞強度

2.2 螺栓和鉚釘的疲勞強度評價

頭車車體結構螺栓和鉚釘的位置如圖3 所示，疲勞等級使用循環次數評價，許用循環次數為1×107。

圖3 車體螺栓和鉚釘的分布位置

由于螺栓和鉚釘本身以及附近母材均有可能發生疲勞裂紋，因此需要分析螺栓和鉚釘附近母材的疲勞特性。螺栓和鉚釘的疲勞強度以及附近母材的疲勞強度參考標準EN 1999-1-3：2007 中的規定，具體如表4 所示。

表4 螺栓類型及其附近母材的疲勞強度

3 地鐵頭車車體疲勞強度分析結果

采用ANSYS 軟件和Ncode Designlife 軟件對車體結構進行15 個工況的疲勞強度分析，各個工況中危險焊縫位置及其壽命如表5 所示。各個工況中危險螺栓、鉚釘位置及其壽命如表6 所示。

其中工況3（車體垂向加速度）中頭車車體焊縫的疲勞壽命云圖如圖4 所示，螺栓和鉚釘的疲勞壽命云圖如圖5 所示。

4 結語

通過以上對地鐵鋁合金車體的強度計算分析可以得出以下結論：

（1）本文提出的15 個載荷工況有效地模擬了地鐵鋁合金車輛在運營過程中的狀態，運用這些載荷工況校核車體疲勞強度是合理的。

（2）所有疲勞工況下，車體焊縫、螺栓以及鉚釘等的計算壽命均滿足30 年的最小使用壽命的要求。

表5 各工況危險焊縫位置及其壽命

表6 各工況危險螺栓、鉚釘位置及其壽命

圖4 車體焊縫疲勞壽命云圖

圖5 車體螺栓及鉚釘疲勞壽命云圖