不銹鋼地鐵車輛車下牽引設備吊掛結構研究

關顯濤 王 琛

0 概述

不銹鋼地鐵車輛車體以強度重量比高、耐腐蝕性好、壽命長、安全性高和維修量少等優點，越來越受到業主青睞，已在國外的城軌車輛中得到廣泛的應用[1]。不銹鋼車體采用板梁結構，部件較多，焊接相對復雜，同時不銹鋼車體材料本身熱傳導率低、熱膨脹系數高，也導致焊接性能較差。為了保證車體強度，及乘客人身安全，須對不銹鋼地鐵車輛車下吊裝設備進行強度和剛度的校核。

目前，較為普遍的校核方式為車體靜強度試驗，該方法耗時、費力、且研制周期較長。隨著有限元仿真技術的成熟，并成功用于產品設計，為不銹鋼地鐵車輛車體結構設計提供優化和解決方案，大幅縮短了研制周期和成本，大大提高了產品的可靠性。

地鐵車輛車下牽引設備具有體積大和質量大的特點，其中輔助充電箱約1 210 Kg、牽引高壓箱約1 050 Kg、牽引輔助箱約1 200 Kg。這三個設備的吊掛結構相同，本文以輔助充電箱為研究對象，建立車體結構有限元仿真模型，對輔助充電箱吊掛結構的強度、剛度進行分析，以驗證車下牽引設備吊掛結構是否滿足EN12663:2010 中關于車下吊裝設備標準載荷工況要求。

1 車體有限元模型及載荷工況

1.1 車體主要技術參數

B 型不銹鋼地鐵車輛車體結構斷面多為下直上斜型，采用板梁組焊結構，主要由底架、側墻、頂棚、端墻四部分結構組成，其載客量及車輛主要技術參數見表1、表2。

1.2 設計載荷及工況

不銹鋼車體結構設計主要參考EN12663-2010《鐵路應用—鐵路車輛車體的結構要求》和GB/T7928—2003《地鐵車輛通用技術條件》，EN12663-2010 中將客運車輛分為5 種結構設計類別，地鐵車輛屬于P-III 類別。

表1 車輛主要技術參數

表2 載客容量

表3 X- 方向的加速度加速度單位：m/s2

表4 Y- 方向的加速度加速度單位：m/s2

表5 Z- 方向的加速度加速度單位：m/s2

車下吊裝設備標準載荷工況，計算車輛運營期間作用于車下吊裝設備上的載荷，應單個設備的質量乘以垂直、橫向及縱向的加速度，計算公式如下[2]。

垂直載荷：

其中mi為設備重量。

1.3 建立車體底架結構三維模型

運用cero2.0 三維建模軟件建立車下設備懸掛模型，如圖1所示。

圖1 底架結構

圖2 輔助充電箱懸掛結構

輔助充電箱吊掛結構由縱梁（一）、縱梁（二）、縱梁（三）、縱梁（四）、邊梁補強板、不銹鋼邊梁、主橫梁、彎梁和轉接座組成，如圖2 所示。

2 建立有限元模型

將底架結構的三維模型與側墻、頂棚、端墻三部分的模型進行裝配后，建立車體結構有限元模型。

2.1 計算坐標系定義

本文中所有涉及坐標系的方向如圖3 所示。

圖3 坐標系方向

X 向：從坐標原點指向車體底架二位端。

Y 向：從坐標原點指向頂棚。

Z 向：從坐標原點垂直指向車體右側。

2.2 網格的劃分

不銹鋼車體結構主要采用4 節點等參薄殼單元模擬主體結構，用梁單元模擬焊點連接結構。在底架結構等較厚的結構也相應的采用六面體實體單元模擬。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20～25 mm，而在更多的細化區域則要小一些，有的地方的單元長度約為4～6 mm。車體的有限元模型單元總數為1 584 442，結點總數為1 432 347。不銹鋼車體結構的網格劃分如圖4 所示。

圖4 整車網格劃分

圖5 底架吊裝設備布置

2.3 車輛質量模擬

車體結構有限元模型建立過程中采用的單元類型有殼單元shell181，實體單元solid185，梁單元beam188，集中質量元mass21。車體鋼結構質量為7.5t，底架吊掛設備布置如圖5 所示。

3 車體靜強度分析

3.1 算法原理

有限單元法的基本思想是將連續的求解區域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯結在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的聯結方式進行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復雜的求解域。有限單元法作為數值分析方法的另一個重要特點是利用在每一個單元內假設的近似函數來分片地表示全求解域上待求的未知場函數。單元內的近似函數通常由未知場函數或及其導數在單元的各個結點的數值和其插值函數來表達。這樣一來，一個問題的有限元分析中，未知場函數或及其導數在各個結點上的數值就成為新的未知量（也即自由度），從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經求解出這些未知量，就可以通過插值函數計算出各個單元內場函數的近似值，從而得到整個求解域上的近似值。顯然隨著單元數目的增加，也即單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度數的增加及插值函數精度的提高，解的近似程度將不斷改進。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解[3]。

3.2 評定標準

EN12663-2010《鐵道應用-軌道車輛的結構要求》要求：在計算工況作用下，車體結構的最大Von. Mises 應力均不得大于車體部件所用材料的屈服強度。

3.3 車下吊裝設備標準載荷工況邊界條件

縱向載荷縱向，縱向加速度a縱向為3 g。

其中mi為設備重量。

車下吊裝設備標準載荷工況邊界條件如圖6 所示。

圖6 車下吊裝設備標準載荷工況邊界條件

3.4 結果分析

不銹鋼車體結構Von. Mises 應力云如圖7 所示。

圖7 車體Von.Mises 應力云圖

輔助充電箱應力云圖如8、圖9 所示。

底架結構兩側邊梁材料為SUS301L（HT）不銹鋼，板厚為4 mm，在底架前后部，與枕梁和端梁碳鋼梁采用塞焊焊接為一體；底架結構端梁采用SUS301L（LT）不銹鋼，厚度為4.0 mm；底架結構主橫梁采用SUS301L（DLT）或（LT）不銹鋼，厚度根據需要不同采用3 mm 或4.5 mm。不同規格不銹鋼的主要機械性能詳見表6。

表6 不同規格不銹鋼的主要機械性能

綜合圖7、圖8、圖9 和表6 可以得出結論：輔助充電箱吊掛結構滿足車下吊裝設備標準載荷工況要求。

圖8 應力云圖

圖9 應力云圖

4 結論

本文通過對B 型不銹鋼地鐵車輛車下牽引設備吊掛結構分析，建立底架結構三維模型，并建立整車有限元模型，以輔助充電箱為研究對象，進行有限元分析，驗證了以輔助充電箱為例的車下牽引設備吊掛結構滿足設計要求。