碳鋼地鐵車體結構優化設計

摘 要：該文介紹某出口項目碳鋼地鐵車體的主要特點和結構形式，采用有限元分析法對車體結構進行靜強度和疲勞分析，探討碳鋼車體設計過程中遇到的強度、剛度和疲勞問題及其解決措施。仿真計算結果證明，優化過后的車體底架拼焊端梁、底架變截面橫梁、焊接司機室結構能夠滿足工藝性及車體強度標準的要求;優化過后的頭車一位端結構、車頂與側墻的連接設計能夠滿足車體疲勞壽命要求。該文的一些設計方法和思路，能夠為后續碳鋼地鐵車體設計提供一定的設計經驗。

關鍵詞：碳鋼地鐵;車體結構;有限元分析;靜強度;剛度;疲勞

中圖分類號：U271.92 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0128-04

Keywords： This paper introduces the main characteristics and structural form of a carbon steel subway car body of an export project， uses finite element analysis method to analyze the static strength and fatigue of the car body structure， and discusses the strength， rigidity and fatigue problems encountered in the design process of carbon steel car body and their solutions. The simulation results prove that the optimized tailor-welded end beams of the vehicle body underframe， variable cross-section beams of the chassis， and welded cab structure can meet the requirements of craftsmanship and vehicle body strength standards; the optimized one-position end structure of the front car， roof and side wall connection design can meet the fatigue life requirements of the vehicle body. Some design methods and ideas in this paper can provide certain design experience for subsequent carbon steel subway body design.

Keywords： carbon steel subway; car body structure; finite element analysis; static strength; rigidity; fatigue

地鐵因其載客量大、運行速度快、舒適性強、準時性高、環境污染少、能源消耗少和安全性高等優點得到不斷發展壯大，成為緩解城市道路的高效出行方式[1]。作為我國“一帶一路”倡議下的標志性工程，地鐵也是中國鐵路全產業鏈“走出去”的代表項目。軌道車輛車體常用材料包括碳鋼、鋁合金和不銹鋼，當前地鐵車體材料多采用鋁合金或不銹鋼[2]，材料本身耐蝕性能優異，但價格較高，碳鋼材料應用相對較少。

某出口項目車輛運用環境溫度最低-8 ℃，年降水量小于50 mm，氣候干燥，綜合考慮車體采用碳鋼材料。全車采用模塊化設計，車體結構為薄壁筒型整體承載結構，分為底架、側墻、車頂、端墻和司機室五大部件，各大部件均為板梁拼焊結構，大部件間通過焊接連接[3]。車體的結構強度滿足標準EN 12663-1：2010+A1：2014《鐵路應用 鐵路車輛車體的結構要求 第1部分：機車和客運車輛》中P-Ⅲ類的要求[4]，碰撞性能滿足EN 15227：2020《鐵路應用 鐵路車輛的耐撞性要求》中C-Ⅱ類要求[5]。車體長度21 150 mm（頭車），車體寬度2 600 mm，車體高度3 750 mm（距軌面），車體斷面為梯形斷面。車頂全長18 150 mm，設空調平頂，長度分別為4 185 mm、5 500 mm，車頂平頂區域較長;車體側墻每側設4個側門、3個側窗;底架結構無中梁。對車體進行有限元分析[6]，發現了很多鋁合金、不銹鋼車體很少遇到的問題。車體結構如圖1所示。

1 拼焊端梁結構

底架端梁安裝于底架前端，與底架側梁形成整體框架結構。底架端梁用于安裝防爬器，承載防爬器的壓縮載荷。該項目底架端梁為滿足防爬器安裝接口選擇槽鋼，槽鋼材質為Q345NQR2，許用應力345 MPa，防爬器安裝接口尺寸為220 mm×185 mm。由碰撞計算得出[7]，為滿足25 km/h碰撞的要求，與車鉤匹配的防爬器力值為800 kN，單個防爬器對端梁的壓縮載荷為400 kN。仿真計算表明，在單個防爬器壓縮載荷的作用下，端梁防爬器安裝區域最大應力達到940 MPa，遠超材料的許用應力，如圖2所示。

經分析，此處槽鋼壁厚較薄，設置防爬器安裝孔后，導致防爬器安裝區域強度不足。初步優化方案，是在防爬器安裝區域背部焊接厚板，補強的同時也可做螺栓卡座使用，但計算結果表明，只針對安裝點區域補強效果不明顯，需對防爬器安裝區域整體補強。最終方案端梁采用拼焊結構，在防爬器安裝區域采用20 mm的Q355ND，其余區域仍采用槽鋼，與槽鋼翻邊連接區域為8 mm的結構鋼。經過有限元仿真驗證，優化方案最大應力為239 MPa，小于材料許用應力355 MPa，滿足標準要求。優化結構及仿真結果如圖3所示。

2 變截面底架橫梁結構

底架橫梁對底架整體承載，提高底架強度、剛度有著至關重要的作用;同時，橫梁也是碳鋼底架的設備吊掛、線槽安裝、管路安裝的主要載體。該項目橫梁材質為Q345NQR2，許用應力345 MPa，橫梁下翼面到設備上平面距離最小處僅為200 mm，空間較小，車下線槽排布空間受限，需在橫梁中部區域開缺口過線槽。考慮到橫梁開缺口后強度、剛度性能下降，以及橫梁成型的工藝性，提出了2種方案：方案一橫梁下翼面分段折彎，在折彎處加補板補強，該種方案結構簡單，工藝性好，但是分段止裂口處易產生應力集中;方案二在變截面處采用補強板斜向圓滑過渡，該方案對冷彎、拼焊工藝要求高，產品尺寸控制難度大，需采用專用工裝，增加成本。優化前后橫梁結構如圖4所示。

通過仿真計算模擬2種橫梁結構方案在設備沖擊工況和垂向過載工況下的應力響應。設備沖擊工況下，方案一最大應力為76 MPa，方案二為51 MPa，最大應力位置相同，均小于材料許用應力，如圖5所示;垂向過載工況下，方案一最大應力為249 MPa，方案二為163 MPa，最大應力位置相同，均小于材料許用應力，如圖6所示，綜合考量，選擇方案二的橫梁結構。

3 焊接司機室結構

地鐵司機室結構多采用鋁型材拼焊骨架加玻璃鋼面罩的混合結構，碳鋼司機室結構多為板梁焊接結構，司機室骨架與司機室蒙皮均為碳鋼材質。本項目綜合上述兩種司機室的設計理念，采用碳鋼焊接骨架加玻璃鋼面罩的混合結構。初步方案司機室骨架采用拼焊結構，分為司機室主骨架、門框結構、彎梁結構及地板，整體零部件較多、結構復雜、重量重，與車體采用螺栓連接，后期使用維護項點較多。

優化后的司機室骨架結構，借鑒鋁合金焊接司機室的理念，整體采用方鋼拼焊，無彎梁結構及地板，優化門柱結構，考慮端部壓縮工況，在相應區域進行補強，整體結構簡單，組焊方便。司機室結構直接落在底架結構上，與底架端梁、側梁焊接連接，司機室與車頂、側墻均采用焊接連接，后期免維護。車體仿真分析，司機室端部壓縮工況顯示，應力最大出現在補強板處，為229 MPa，該處材料為Q345NQR2，許用應力345 MPa，該司機室結構滿足強度要求，如圖7所示。

4 頭車一位端結構疲勞性能優化

頭車一位端與司機室連接處，為側墻端部立柱與車頂端部結構拼焊而成的框架結構。原方案側墻端部立柱為4 mm厚L型折彎板，車頂端部結構為3 mm的碳鋼拼焊開口型箱體結構，司機室與端部立柱、車頂端部焊接連接。疲勞計算發現，該種端部結構最低壽命為2.4×105，不滿足要求疲勞壽命大于107的要求，如圖8所示。

經分析，端部立柱、車頂端部結構板厚較薄，車頂端部結構為開口型箱體，與司機室連接處均為單板;并且由于電器柜及司機室內端門安裝的原因，無法設置立柱或橫梁，導致該處為開放式框架結構，結構整體剛度不足。為提升疲勞壽命，將側墻端立柱斷面由L型改為6 mm的方鋼，將薄板拼焊的箱型端部結構，改為板梁拼焊結構，且與側墻端立柱連接處由薄板折彎件改為6 mm方鋼。優化之后的結構最低壽命為2.2×108，疲勞壽命滿足要求，如圖9所示。

5 車頂與側墻連接疲勞性能優化

該項目通過車頂側頂板與側墻上邊梁的搭接實現車頂與側墻的連接，在垂向加速度為±0.15 g的工況下，第一、四個側門立柱上方，彎梁與車頂側頂板連接處、補強塊與側墻上邊梁連接處焊縫疲勞壽命分別為1.2×106、6.8×105，均不能滿足標準大于107的要求，如圖10所示。

經分析，車頂與側墻搭接處，僅在側墻板與側頂板處、側頂板與側墻上邊梁處搭接焊，搭接處截面不連續，力的傳遞路徑發生突變，導致無法有效傳遞垂向載荷，產生應力集中。對該結構進行設計優化，將側墻上邊梁內門柱補強結構由2.5 mm的補強塊優化為3 mm+6 mm+3 mm拼焊補強塊，斷面與側墻上邊梁截面輪廓一致;在門立柱區域的車頂彎梁下口增設U型補強塊，提高該處結構剛度。經計算分析，優化過的結構能夠滿足疲勞強度需求，如圖11所示。

6 結束語

本文以某出口碳鋼地鐵車體為研究對象，采用仿真分析方法，對車體結構進行強度分析，對碳鋼地鐵車體在設計過程中出現問題的工況進行了優化設計，最終結果滿足標準需求，為后續碳鋼地鐵的設計提供了一定經驗和設計基礎。

參考文獻：

[1] 趙輝.某出口地鐵車體結構性能分析及優化設計[D].大連：大連交通大學，2022.

[2] 郭蕾.大連地鐵1、2號線車輛車體結構設計[D].大連：大連交通大學，2016.

[3] 王海鈞，王趙華，岳譯新.出口東南亞的某內燃動車組車體結構設計[J].電力機車與城軌車輛，2023，46（3）：20-24.

[4] 鐵路應用 鐵路車輛車體的結構要求 第1部分：機車和客運車輛：EN 12663-1：2010+A1：2014[S].

[5] 鐵路應用 鐵路車輛的耐撞性要求：EN 15227：2020[S].

[6] 董曾文，水文菲，李孟梁.高強度輕軌車體結構設計[J].中國新技術新產品，2022（10）：72-75.

[7] 劉艷文，李本懷，王璐，等.基于歐洲標準的某出口地鐵列車碰撞性分析[J].大連交通大學學報，2019，40（2）：7-12.

第一作者簡介：王小霞（1986-），女，碩士，高級工程師。研究方向為車體結構設計。