鋁合金地鐵車牽引梁結構建模策略對比研究

郭紅玲,于春洋,劉春艷,張曉松,薛寧鑫

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車系統集成工程技術研究中心,吉林 長春 130062)

車體作為軌道車輛的主要承載結構之一,是各類功能部件安裝的載體,同時承受車鉤、轉向架、減振器等部件傳遞至車體的載荷以及線路、外部環境的隨機載荷。以應用廣泛的EN 12663-1:2010+A1:2014[1]標準為例,該標準規定了車體應該能夠承受的靜載荷和疲勞載荷。靜載荷包括車鉤載荷、最大超員載荷、端部壓縮載荷、設備沖擊載荷等;疲勞載荷包括牽引制動載荷、橫向振動載荷、垂向振動載荷、設備振動載荷等。

在車輛設計階段,首先通過有限元法對車體的結構強度進行分析,分析結果滿足設計標準之后,試制樣車進行物理樣機試驗。仿真分析與物理樣機試驗結合的設計方案可大幅減少車輛的試制成本及設計周期。開展車體有限元分析的重要前提是保證車體有限元模型的建模精度。劉春艷等[2]以某城市軌道客車車體為研究對象,通過有限元分析法分析得到車體的薄弱環節,再通過車體靜強度試驗對有限元分析結果進行驗證。經過對比發現兩種方法的分析結果誤差在可接受范圍之內,并從加載的邊界條件、測點位置、模型的一致性角度對建模和靜強度試驗提出了建議。王青權等[3]以某鋁合金B型地鐵車輛M車車體為研究對象,對其靜強度特性進行分析,仿真和試驗結果顯示,軌道交通車輛鋁合金車體整體安全系數較大,但車門角、車窗角等區域應力集中較明顯。因此,設計時應重點考慮輕量化及應力集中區的局部強度問題。謝素明等[4]對比分析了某鋁合金材質地鐵車的仿真分析結果和試驗數據,并對仿真分析數值與試驗數值相差較大的評估點進行了模型修正。同時認為圓孔區域應進行單元細化并避免三角形單元,對局部剛度有貢獻的結構都應該進行建模。模型修正后,各評估點的計算誤差均小于10%。李曉峰等[5]采用殼單元和實體單元建立了鋁合金動車模型,分析結果顯示,車鉤座區域、地板補板區域的應力結果有一定偏差,牽引梁區域應力結果基本無偏差。因此建議在采用殼單元建模時,對上述偏差較大區域的安全系數應適當提高。

牽引梁是承載車鉤載荷的主要結構。本文以鋁合金地鐵車牽引梁區域為研究對象,針對牽引梁與地板之間的安裝特點,采用兩種不同的建模方案建立牽引梁與地板之間的焊接關系。將車鉤拉伸、壓縮載荷工況下該區域的分析結果分別與試驗值進行對比,分析兩種建模方案的差異性和適用性。

1 鋁合金地鐵車牽引梁結構

鋁合金地鐵車的牽引梁由鋁合金板材、型材焊接組成。牽引梁整體呈魚腹狀,是車輛之間實現連掛的安裝載體,同時承載車輛之間的牽引力、制動力。某鋁合金地鐵車的牽引梁結構示意圖見圖1,該結構主要由牽引梁下蓋板、牽引梁立板、車鉤座、牽引梁上蓋板、地板型材和枕梁組成。牽引梁下蓋板、牽引梁上蓋板為異形板件,在設計時通常采用多個板件組焊而成;車鉤座由中空型材拼焊組成。為了在牽引梁的薄弱位置合理布置加強筋,可根據牽引梁的組焊工藝、應力分布、使用功能等因素合理設置工藝孔、減重孔、走線孔等。牽引梁結構整體與地板型材、底架端梁、枕梁焊接固結于車體底架端部。

1—牽引梁下蓋板;2—牽引梁立板;3—車鉤座;4—牽引梁上蓋板;5—地板型材;6—枕梁圖1 牽引梁結構示意圖

鋁合金材料的機械性能不同于碳鋼、不銹鋼等金屬材料,鋁合金材料焊接熱影響區的屈服強度與材料本身相差較大。依據BS EN 1999-1-1: 2007 +A2:2013標準[6],常用鋁合金材料的熱影響區屈服強度約為母材的50%～70%。同時,不同厚度、擠壓成型工藝(如:中空型材、開口型材)的鋁合金材料的屈服強度也有所差異。因此合理地布置焊接位置對車體的結構強度至關重要。表1列出了本文所研究的牽引梁結構材料基本屬性。

表1 牽引梁材料基本屬性

2 建模方案及載荷工況

2.1 建模方案

在工程上,鋁合金車體主要由薄壁中空鋁型材和板材焊接而成,因此建立車體有限元模型時主要采用四節點殼單元建模,對于具有復雜造型的安裝座采用四節點實體單元建模。如圖2所示,牽引梁上蓋板與地板之間采用環角焊縫固結。牽引梁上蓋板與地板采用殼單元(圖中雙點畫線條示意)建模時,兩部件之間形成空間間隙。在車體實際結構中,牽引梁上蓋板與地板之間為接觸關系。

圖2 牽引梁上蓋板與地板關系示意圖

對于上述結構關系,本文提出兩種有限元建模方案。方案1:牽引梁上蓋板與地板之間的焊縫采用殼單元模擬,兩部件之間的空間間隙不建立接觸關系[7]。方案2:牽引梁上蓋板與地板之間的焊縫采用殼單元模擬,并在兩部件之間的空間間隙采用Rigid單元建立位移耦合關系。兩種方案的牽引梁模型見圖3。

(a) 方案1

2.2 載荷工況

根據牽引梁的結構特點,該結構對車鉤載荷最為敏感,因此本文采用車鉤載荷工況驗證兩種有限元建模方案的差異性和適用性。依據EN 12663-1:2010+A1:2014標準中5.2.3部分的分類規則,地鐵車輛為P-Ⅲ類車輛。6.2.2部分則規定了不同類型車輛的車鉤載荷,車鉤載荷工況見表2。

表2 車鉤載荷工況

3 車鉤載荷工況靜強度試驗

3.1 試驗方案

鋁合金地鐵車的車鉤載荷工況靜強度試驗在車體強度試驗臺上開展。該試驗臺采用液壓加載,具備2 000 kN的縱向載荷加載能力,滿足本次試驗要求。

為驗證兩層板件結構建模方案的適用性,本文在牽引梁的兩層板件結構位置和遠離兩層板件結構位置確定6個測點,見圖4。在牽引梁的兩層板件結構位置布置4個測點(5031、5032、5034、5035),分別位于牽引梁上蓋板與牽引梁立板的焊縫終止位置、焊縫中間位置(圖4(b)、圖4(c))。在遠離牽引梁的兩層板件結構位置布置2個測點(5033、5036),分別位于牽引梁下蓋板與牽引梁立板的焊縫終止位置(圖4(d)、圖4(e))。6個測點均采用單向應變片,應變片方向與焊縫走向一致。

3.2 試驗結果

為減小試驗誤差,每個工況加載三次取平均值,試驗結果見表3。6個測點均位于熱影響區, 測點5031、5032、5034、5 035的屈服強度為125 MPa,測點5033、5036的屈服強度為155 MPa。由試驗結果可知,6個測點在車鉤載荷工況下的應力均小于屈服強度,滿足EN 12663-1:2010+A1:2014標準對車體結構的靜強度要求。

表3 車鉤壓縮和拉伸工況測點試驗值 MPa

4 試驗值與仿真分析值對比

本文采用2.1部分確定的兩種有限元建模方案分別計算測點位置在車鉤載荷工況下的應力值。開展試驗值與仿真分析值對比時,應注意以下事項:①有限元模型的焊縫分布、材料屬性、邊界條件應與試驗一致;②提取有限元結果的位置應與試驗測點位置一致,并且區分殼單元計算結果的TOP面與BOTTOM面,與應變片位于同側。

兩種工況下不同建模方案的測點應力對比見圖5。對比兩種有限元建模方案, 方案1的分析結果均大于試驗值,方案2的分析結果部分大于試驗值,部分小于試驗值。方案1的計算結果更保守。

(a) 車鉤壓縮工況

對比不同位置測點的應力結果,方案1、方案2在牽引梁的兩層板件結構位置,4個測點的方向應力與試驗值的誤差分別為9%～21%、7%～52%;方案1、方案2在遠離牽引梁的兩層板件結構位置,2個測點的方向應力與試驗值的誤差分別為4%～13%、8%～18%。在牽引梁的兩層板件結構位置,方案1的分析誤差更小。在遠離牽引梁的兩層板件結構位置,兩種方案的分析誤差接近,但方案1的結果更精確。

5 結論

本文針對鋁合金地鐵車牽引梁結構與車體底架之間的安裝特點,提出兩種不同的建模方案,將6個測點的仿真分析結果與試驗值進行對比,得到以下結論:

(1)采用殼單元模擬牽引梁與地板之間的雙層板件結構的焊接關系(方案1)比采用Rigid位移耦合單元(方案2)保守,方案1更適用于設計階段校核車體結構強度。

(2)對于牽引梁與地板之間的雙層板件結構位置的測點,兩種方案的方向應力分析結果與試驗值的誤差分別為9%～21%、7%～52%,方案1的建模方案更合理;遠離牽引梁與地板之間的雙層板件結構位置的測點,兩種方案的方向應力分析結果誤差分別為4%～13%、8%～18%,兩種方案的分析誤差接近,但方案1的結果更精確。