上海軌道交通15號線車體結(jié)構(gòu)有限元分析與試驗

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 車體結(jié)構(gòu)

上海軌道交通15號線采用全自動駕駛車輛,有Tc、Mp、M三種基本類型車輛,列車編組形式為-Tc*Mp*M=M*Mp*Tc-,其中,-Tc*Mp*M=構(gòu)成可動單元車組,Tc為帶司機室的拖車,Mp為帶受電弓的動車,M為不帶受電弓的動車。

上海軌道交通15號線為A型鋁合金車體,車體結(jié)構(gòu)采用模塊化、輕量化、底架無中梁整體承載結(jié)構(gòu),能夠承受自重和載重垂直載荷、牽引制動縱向載荷,以及運行檢修中產(chǎn)生的斜對稱載荷[1-3]。車體材料主要選用大型中空擠壓鋁型材,車體使用壽命不短于30 a。設(shè)計過程中,利用有限元方法對車體結(jié)構(gòu)進行靜強度、疲勞強度、剛度及穩(wěn)定性分析,并進行相關(guān)優(yōu)化[4-5]。

上海軌道交通15號線車體采用整體承載全焊接結(jié)構(gòu),大型型材通過機械加工下料焊接為底架、側(cè)墻、端墻、車頂四大部件,四大部件在車體總裝臺位焊接為車體。

車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時,為了使Mp車、M車車體結(jié)構(gòu)件具有通用性,且Tc車車體可以借用Mp車、M車車體結(jié)構(gòu)件,筆者以Mp車車體為例進行研究。車體斷面如圖1所示,三維模型如圖2所示,主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 車體斷面

圖2 車體三維模型

表1 車體主要技術(shù)參數(shù) mm

車體底架為全鋁合金結(jié)構(gòu),由邊梁、鋁地板、枕梁、牽引梁、端梁等組成,如圖3所示。鋁地板由大斷面中空鋁合金型材焊接而成,與底架邊梁、端梁采用弧焊連續(xù)焊接而成。底架通過邊梁型材與側(cè)墻型材插口焊接,同時通過端梁型材與端墻型材插口焊接。枕梁具有車體與轉(zhuǎn)向架的接口結(jié)構(gòu),為車輛的重要承載部件。牽引梁具有車鉤安裝接口結(jié)構(gòu),枕梁和牽引梁與邊梁連接,通過邊梁傳遞載荷。

圖3 車體底架結(jié)構(gòu)

車體側(cè)墻由側(cè)墻板、端立柱、側(cè)門門口立柱焊接而成。側(cè)墻板由大斷面擠壓鋁型材焊接而成,側(cè)門門口立柱采用中空擠壓鋁型材。

側(cè)墻通過最上部型材與車頂邊梁型材插口焊接,通過最下部型材與底架邊梁型材插口焊接,端部與端墻型材對接焊接。窗口四周鉚接補強梁。

車體車頂由邊梁、頂板、機組平臺、受電弓平臺焊接而成,通過邊梁型材與側(cè)墻型材插口焊接,端部與端墻型材對接焊接。車體車頂結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 車體車頂結(jié)構(gòu)

車體端墻采用型材結(jié)構(gòu),端墻型材分別與側(cè)墻型材端部、車頂型材端部、底架端梁型材插口焊接。

2 有限元分析

為了滿足車輛輕量化要求,車體結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中采取了一系列減重措施,對此從計算力學(xué)角度對車體的靜強度、疲勞強度及剛度進行計算分析,驗證結(jié)構(gòu)的合理性,并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計[6-8]。

2.1 靜強度

參考標準為EN 12663-1:2010標準[9],車體采用Hypermesh軟件進行有限元建模,采用ANSYS軟件進行仿真分析求解,采用Hyperview軟件進行分析結(jié)果的后處理。車體有限元軟件模型如圖5所示。

圖5 車體有限元模型

車體靜強度分析時共計算20種工況,其中部分關(guān)鍵工況的計算結(jié)果如表2及圖6～圖11所示。

表2 車體關(guān)鍵工況計算結(jié)果

圖6 車鉤座應(yīng)力云圖

由有限元靜強度計算結(jié)果可以看出,各工況下的計算應(yīng)力均小于所采用材質(zhì)的許用應(yīng)力,滿足EN 12663-1:2010標準的要求。

圖7 窗角應(yīng)力云圖

圖8 車鉤座螺栓處應(yīng)力云圖

圖9 腰身立柱應(yīng)力云圖

2.2 疲勞強度

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度采用IIW-2008《焊接接頭與部件疲勞設(shè)計指南》中的鋁型材焊接疲勞強度壽命曲線進行評估,焊接等級參照IIW-2008進行取值,焊接等級許用應(yīng)力對照IIW-2008中數(shù)值,應(yīng)力范圍小于許用應(yīng)力范圍的評估點累計損傷比不得大于1。

圖10 架車座應(yīng)力云圖

車體疲勞強度共計算四種工況,分別為牽引制動工況、橫向振動工況、垂向振動工況、乘客上下車工況。各工況下的車體應(yīng)力見表3,車體損傷比見表4。

圖11 牽引梁下蓋板應(yīng)力云圖

表3 車體應(yīng)力

表4 車體損傷比

經(jīng)過分析計算,基于IIW-2008,在垂向振動、橫向振動、牽引制動、乘客上下車四個疲勞載荷工況下,母材與焊縫的累計損傷比最大為0.798,小于1,確認車體疲勞強度滿足要求。

2.3 剛度

分別計算空載與超載工況下車體底架邊梁的垂向最大位移量,以此校核車體結(jié)構(gòu)是否滿足要求。車體底架邊梁位移云圖如圖12所示。

由圖12可見,在空載工況下,底架邊梁中部垂向靜撓度為4.61 mm;在超載工況下,底架邊梁中部垂向靜撓度為9.977 mm,均滿足規(guī)定的限值,車體剛度滿足要求。

圖12 底架邊梁位移云圖

3 靜強度試驗

車體靜強度試驗是驗證車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及選材的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是驗證計算結(jié)果的有力依據(jù)。按照工況要求,分別對上海軌道交通15號線Tc車、Mp車車體進行試驗。試驗結(jié)果表明,車體各母材和焊接部位的應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力,滿足EN 12663-1:2010標準及技術(shù)規(guī)格中關(guān)于強度的要求。車體靜強度試驗現(xiàn)場如圖13所示。

4 結(jié)束語

在傳統(tǒng)A型車平臺的基礎(chǔ)上,對上海軌道交通15號線車體結(jié)構(gòu)各模塊部件進行了優(yōu)化,設(shè)計后相較傳統(tǒng)A型車車體,單節(jié)車質(zhì)量減輕近300 kg,很好地實現(xiàn)了車體的輕量化[10]。通過有限元分析計算及靜強度試驗,證明上海軌道交通15號線車體結(jié)構(gòu)在強度、剛度、疲勞性能等方面均滿足標準和合同要求,為后續(xù)類似車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

圖13 車體靜強度試驗現(xiàn)場