某地鐵車輛底架邊梁連接結(jié)構(gòu)設計

摘要：為解決某地鐵車輛全包式頭罩安裝空間的問題，本文將司機室位置底架邊梁打斷，前端邊梁向車內(nèi)移動20mm，中間加入過渡板，連接前、后底架邊梁。但底架邊梁打斷后存在車體強度下降的風險，因此本文設計了3種底架邊梁連接結(jié)構(gòu)，再通過有限元仿真方法，比較3種結(jié)構(gòu)在典型工況（AW3-1200kN壓縮）下的應力分布情況，獲得了一種安全、可靠的底架邊梁連接結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；底架邊梁；結(jié)構(gòu)設計；有限元分析

中圖分類號：U27""""""""" 文獻標志碼：A

隨著人們?nèi)粘３鲂行枨蟮娜找嬖黾樱伢w車輛以其方便快捷、高效節(jié)能等優(yōu)勢成為城市交通運輸不可或缺的一部分[1]。通常，地鐵車輛前端被玻璃鋼或其他材質(zhì)制成的頭罩覆蓋，頭罩通過粘接和螺栓固定組成的混合連接方式與車體骨架相連[2]。因此，車體骨架需要為頭罩安裝保留足夠空間。

某地鐵車輛采用全包式頭罩結(jié)構(gòu)，為確保頭罩的安裝空間，將司機室骨架與側(cè)墻連接位置底架邊梁打斷，并將前端邊梁向內(nèi)移動20mm。同時，為提升車輛的通過性能[3]，將Tc車I端司機室門與側(cè)墻連接點前端區(qū)域車體結(jié)構(gòu)整體向內(nèi)收5°。因此，底架邊梁最終采取前端邊梁向內(nèi)收5°、2段邊梁中間采用過渡板連接的形式。該方法可解決頭罩安裝空間和車輛通過性能的問題，但也會導致邊梁連接處強度變?nèi)酢Ｒ虼耍疚谋容^了3種不同邊梁連接結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)，來選擇一種最可靠的邊梁連接結(jié)構(gòu)。

1邊梁連接結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)EN12663標準要求，車體主體結(jié)構(gòu)在各個工況下都不能出現(xiàn)屈服。為減少工況分析數(shù)量，本文對所有工況進行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)邊梁連接處最可能出現(xiàn)屈服的工況為AW3載荷下壓縮1200kN工況。因此，本文的3種不同邊梁連接結(jié)構(gòu)應力分布情況分析都在該工況下進行。

1.1方案一

方案一的邊梁連接結(jié)構(gòu)和應力云分布如圖1所示。圖1（a）為前、后2段邊梁間通過過渡板連接的邊梁連接結(jié)構(gòu)。其中，過渡板采用16mm的6082A-T6型材加工而成。采用有限元仿真分析軟件對該結(jié)構(gòu)在AW3、1200kN工況下的應力分布情況進行仿真，結(jié)果如圖1（b）所示。從圖1（b）可以看出，該工況下靠近過渡板底架下表面的焊縫熱影響區(qū)最大應力為111MPa，考慮安全系數(shù)1.15，焊縫熱影響區(qū)許用應力為100MPa，因此這種邊梁連接結(jié)構(gòu)無法車體強度要求。

1.2方案二

采用前、后邊梁中間直接用過渡板對接的邊梁連接結(jié)構(gòu)，車體存在超出許用應力的風險。根據(jù)圖1（b）的應力分布情況，需要在前端邊梁增加補強結(jié)構(gòu)。方案二的邊梁連接結(jié)構(gòu)和應力云分布如圖2所示。圖2（a）為一種底架邊梁連接結(jié)構(gòu)，將前端底架邊梁下面一個腔體打開后，在其內(nèi)部引入“L”形的加強結(jié)構(gòu)。如圖2（b）所示，“L”形加強結(jié)構(gòu)由底架牽引梁型材加工而成，長度為240mm，在其距離型材端部50mm位置加工缺口，用于疏解加強結(jié)構(gòu)焊后焊縫的應力。同時，結(jié)合圖1（b）應力云分布情況，為避免前端底架邊梁腔體打開后“U”形梁與底架前端邊梁焊縫處于較大變形區(qū)域，本文選擇在距離過渡板350mm處打開前端邊梁的下部腔體，最后采用底架邊梁型材加工而成的“U”形梁，將開放前端邊梁腔體密封。圖2（c）是方案二邊梁連接結(jié)構(gòu)應力云分布圖。從圖2（c）可以看出，焊縫熱影響區(qū)最大應力為105MPa，仍超過許用應力100MPa，無法達到車體強度要求。

1.3方案三

方案三的邊梁連接結(jié)構(gòu)和應力云分布如圖3所示。如圖3（a）所示，本方案采取以板材加工成的“U”形梁代替薄弱區(qū)域母材的方式。根據(jù)圖1（b）的應力分布情況，在前端邊梁下部打開長350mm、高28mm的區(qū)域。圖3（b）是前端邊梁剖視圖，對與邊梁下表面連接的筋板進行加工，加工至距離焊縫坡口30mm位置。“U”形梁選用厚度為40mm的6082材質(zhì)鋁板進行加工，如圖3（c）所示。“U”形梁靠近車下位置加工到8mm，其中遠離過渡板一端加工到6mm，與前端邊梁型材厚度匹配，并在距離過渡板250mm位置設置坡度為1∶12的過渡區(qū)。“U”形梁靠近車體外側(cè)面加工到10mm，靠近車體內(nèi)側(cè)面加工到9mm，車內(nèi)、外“U”形梁兩側(cè)加工與底架前端邊梁厚度對接匹配坡口接頭，將剩余厚度材料加工成自帶焊接墊板的結(jié)構(gòu)。圖3（d）為方案三的應力云分布圖，從圖3（d）可以看出，靠近連接板的焊縫熱影響區(qū)最大應力為89MPa，前端焊縫熱影響區(qū)最大應力為95MPa，均未超過許用應力。

1.4仿真結(jié)構(gòu)分析與討論

本文對3種底架邊梁連接結(jié)構(gòu)進行了仿真分析，并比較了3種方案的應力情況、工藝性和成本等指標，結(jié)果見表1。從表1可以看出，方案三是一種切實可行的邊梁連接結(jié)構(gòu)。

方案一采用的前、后邊梁對接中間過渡板連接的邊梁連接結(jié)構(gòu)是最簡單的結(jié)構(gòu)，具有工藝性好、成本低等優(yōu)點，但這種連接結(jié)構(gòu)的焊縫熱影響區(qū)最大應力為111MPa，超出材料的許用應力，因此方案一的結(jié)構(gòu)無法滿足車體強度需求。與方案一相比，方案二采用將前端邊梁下部腔體內(nèi)打開，引入型材加工而成的“L”形加強筋的方式。同時，前端邊梁腔體內(nèi)打開后，內(nèi)部的腔體面可與過渡板進行連接，增加了前端邊梁與過渡板的有效連接面。但引入加強筋帶來的強化效果僅分布于其接觸區(qū)域，導致前端邊梁腔體中間區(qū)域形成了一個強化區(qū)，因此，方案二中前端邊梁下表面以上高應力分布區(qū)域明顯減少，低應力區(qū)域明顯增加，底架邊梁下表面的高應力區(qū)域出現(xiàn)擴散現(xiàn)象。同時，方案二焊縫熱影響的最大應力為105MPa，比方案一僅降低了6MPa，仍舊超出許用應力，沒有達到車體強度要求，并且加強筋的引入也增加了車體焊接和裝配時間，因此方案二不是一種切實可行的邊梁連接結(jié)構(gòu)。比較2種方案的應力分布情況，強化結(jié)構(gòu)可提升與其直接接觸區(qū)域的強度，因此采用將強化結(jié)構(gòu)直接替代低應力區(qū)域母材的方式，可以達到提升車體強度目的。方案三采用以板材加工而成的“U”形梁代替前端邊梁原有母材的方式。與前端邊梁母材相比，“U”形梁下表面的厚度增加了2mm，內(nèi)側(cè)和外側(cè)厚度均增加了4mm，材料厚度的提升增強了邊梁連接處的剛度。與方案一相比，方案三靠近過渡板位置的焊縫熱影響區(qū)的最大應力為89MPa，降低了23MPa。同時，由于“U”形梁下表面在遠離焊縫熱影響區(qū)域以外區(qū)域設置了過渡區(qū)，可避免在焊縫區(qū)域出現(xiàn)應力集中，并且前端邊梁連接下表面的內(nèi)側(cè)筋板的加工削弱了前端底架邊梁的剛度，因此疏解了遠離過渡板的“U”形梁與前端邊梁焊縫周圍的應力，最終，遠離連接板焊縫熱影響區(qū)的最大應力為95MPa，比方案二降低了6MPa。方案三中邊梁連接結(jié)構(gòu)的焊縫熱影響區(qū)應力均低于100MPa，滿足車體強度要求。同時，從圖3（d）可以看出，與方案一相比，前端底架邊梁附近低應力的區(qū)域分布明顯增大，應力的數(shù)值也明顯降低。

因此，方案三是一種切實可行的邊梁連接結(jié)構(gòu)。

2試驗驗證

根據(jù)3個方案的仿真結(jié)果比較，某地鐵車輛底架采用方案三的底架連接結(jié)構(gòu)。為驗證車體強度，在車體強度試驗中對靠近底架邊梁過渡板的位置進行應力測試，應變片貼片位置如圖4所示。試驗結(jié)果顯示，該位置的應力值為67.82MPa，對稱位置應力為69.25MPa，均滿足車體強度需求。

3結(jié)論

本文設計了3種不同的底架邊梁連接結(jié)構(gòu)，并通過有限元仿真軟件對AW3載荷、1200kN壓縮工況下的3種結(jié)構(gòu)進行了分析，得出以下結(jié)論。將前端邊梁經(jīng)過渡板與后端邊梁直接連接，前端邊梁下表面焊縫熱影響區(qū)的應力為111MPa，超過材料許用應力。將前端邊梁下部腔體打開，在腔體內(nèi)加入“L”形加強筋，前端邊梁下表面焊縫熱影響區(qū)的焊縫應力為105MPa，仍超過材料許用應力。將板材加工“U”形梁取代前端邊梁下部薄弱區(qū)域，前端邊梁靠近過渡板下表面焊縫熱影響區(qū)應力為89MPa，遠離過渡板焊縫熱影響區(qū)的最大應力為95MPa，均低于材料許用應力。車體強度試驗結(jié)果顯示，方案三的車體兩側(cè)靠近過渡板焊縫熱影響區(qū)應力試驗值分別為67.82MPa和69.25MPa，滿足車體強度需求，是一種切實可行的底架邊梁連接結(jié)構(gòu)。

參考文獻

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