低地板車輛車體結(jié)構(gòu)有限元分析

■ 韋海菊 王維 胡基貴 張德峰

韋海菊：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動(dòng)車設(shè)計(jì)部，工程師，江蘇南京，210031

王 維：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動(dòng)車設(shè)計(jì)部，高級(jí)工程師，江蘇 南京，210031

胡基貴：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動(dòng)車設(shè)計(jì)部，工程師，江蘇南京，210031

張德峰：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動(dòng)車設(shè)計(jì)部，工程師，江蘇南京，210031

低地板輕軌車輛通常是指地板面距軌面高度小（一般為250～350 mm）的車輛[1]。輕軌交通為城市軌道交通的一個(gè)系統(tǒng)，其運(yùn)輸能力介于地鐵與道路公共交通之間，作為解決城市交通問題的途徑之一已被廣泛接受[2]。輕軌車輛具有容量大、噪聲小、乘坐舒適、無環(huán)境污染、節(jié)約能源、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，作為載運(yùn)工具在輕軌交通中起著關(guān)鍵的作用[3]。為檢驗(yàn)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，確保強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并為優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供可靠依據(jù)，根據(jù)車體結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，建立車體結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析。

1 100%低地板車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

研究的低地板車輛為浮車型式，浮車是指車體下方?jīng)]有轉(zhuǎn)向架支撐，而是通過鉸接裝置“掛”在與其相鄰的車體上的車體[4]。全車采用5模塊編組，1車、5車為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架模塊，3車為拖車轉(zhuǎn)向架模塊，均采用短車體；2車、4車為浮車，也叫客室模塊，采用長(zhǎng)車體，其下部沒有轉(zhuǎn)向架支撐，靠鉸接裝置與臨近兩車體連接。

連接車體各模塊間的鉸接有3種形式：固定鉸、上閉合鉸和上開放鉸。連接相連車體模塊的下鉸均采用相同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的固定鉸，固定鉸限制3個(gè)方向的平動(dòng)，但能繞3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，主要承受車體垂向力，并傳遞大部分縱向力和橫向力。上鉸主要有2種形式（見圖1），連接SM2和BM3模塊的上鉸采用開放鉸，其余均為閉合鉸。閉合鉸能繞Z軸旋轉(zhuǎn)，主要傳遞縱向力和橫向力，固定鉸和閉合鉸的聯(lián)合使用限制了相鄰車體模塊間的浮沉運(yùn)動(dòng)和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，使相鄰車輛僅存在相對(duì)搖頭的自由度。開放鉸釋放相鄰車體模塊間的垂向、縱向平動(dòng)自由度和3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，僅部分限制車輛橫向平動(dòng)，便于通過小曲線。開放鉸主要承受橫向力，用于限制相鄰車體模塊間的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，并能保證整列車順利通過上下坡道[5]。

車體模塊由底架、側(cè)墻、車頂、端墻組成，主要承載結(jié)構(gòu)中，除了枕梁和固定鉸為鑄件，大部分承載件由耐候鋼構(gòu)件焊接而成，除車頂波紋板與車頂邊梁和橫梁的焊接形式為點(diǎn)焊外，其余焊接形式為弧焊。司機(jī)室為獨(dú)立司機(jī)室，采用螺栓與BM1和BM5實(shí)現(xiàn)連接。車體承載構(gòu)件材料分布及其機(jī)械性能見表1。

2 有限元模型

2.1 定義坐標(biāo)系

根據(jù)EN 12663[6]的規(guī)定，使用全局坐標(biāo)系標(biāo)定方向（坐標(biāo)系見圖2）：X軸的正向（對(duì)應(yīng)車輛縱向軸向）是運(yùn)動(dòng)方向；Y軸（對(duì)應(yīng)車輛橫向軸向）在水平面內(nèi)；Z軸（對(duì)應(yīng)于車輛垂向軸向）正向向上。

圖1 車輛編組形式

表1 材料分布及其機(jī)械性能

圖2 全局坐標(biāo)系

全局坐標(biāo)系原點(diǎn)定義：X=0為模塊中間位置；Y=0為軌道相對(duì)于車體的中心線；Z=0為軌面。

2.2 建立模型

車體結(jié)構(gòu)（鑄件除外）采用SHELL單元模擬，鑄件用SOLID單元模擬，考慮到SHELL單元和SOLID單元相連時(shí)存在自由度不匹配，將SHELL單元的其中一排嵌入SOLID單元中。對(duì)于大設(shè)備，用SHELL單元和MASS單元共同模擬，MASS單元位于設(shè)備重心位置，并用RBE3單元連接到模擬設(shè)備三維尺寸的SHELL單元上。乘客質(zhì)量用MASS單元模擬，并用RBE3單元將載荷傳遞到地板結(jié)構(gòu)上。單模塊車體有限元模型見圖3。

采用整列車裝配有限元模型進(jìn)行仿真分析，有限元模型見圖4，包含1 471 789個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 898 146個(gè)單元。該方法的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)在于鉸接之間的連接及其自由度匹配，以及轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的模擬及其與車體的連接，決定了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。因此，進(jìn)行有限元建模前必須了解每個(gè)部件（如垂向減振器、橫向止擋、抗側(cè)滾扭桿、搖頭止擋等）的受力特點(diǎn)，以此選擇合適的單元類型進(jìn)行模擬。

根據(jù)不同類型鉸接結(jié)構(gòu)的承載特性，采用不同方式進(jìn)行模擬。對(duì)于固定鉸和上閉合鉸，利用具有6自由度的CBUSH單元進(jìn)行模擬，并用RBE3單元將其連接到鉸接結(jié)構(gòu)的載荷作用面上，局部有限元模型見圖5、圖6。對(duì)于上開放鉸，采用CROD單元設(shè)置與實(shí)際結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)慕孛孢M(jìn)行模擬，并用RBE3單元連接到上閉合鉸安裝面上，局部有限元模型見圖7。

對(duì)于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，采用簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行模擬（見圖8），利用CBEAM單元模擬轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對(duì)，并設(shè)置較大的材料彈性模量以與實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行匹配。一二系彈簧、搖頭止擋和橫向止擋均采用CBUSH單元模擬，牽引桿用CROD單元模擬；抗側(cè)滾扭桿采用CBEAM單元和CBUSH單元共同模擬。由于搖頭止擋只承受X方向的壓力載荷，因此，必須在搖頭止擋和其安裝面間設(shè)置接觸才能準(zhǔn)確模擬其受力特性。

3 確定載荷工況

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12633和VDV 152[7]確定車體靜強(qiáng)度考核工況（見表2）。表3、表4為表2衍生的組合工況。

4 計(jì)算結(jié)果分析

按照第三強(qiáng)度理論，即當(dāng)量應(yīng)力，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，此應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力。當(dāng)量應(yīng)力的計(jì)算公式為：

式中：σe為當(dāng)量應(yīng)力，MPa；σi為主應(yīng)力，MPa；SQRT表示對(duì)表達(dá)式開平方根。

對(duì)于許用應(yīng)力安全系數(shù)的選擇，EN 12663規(guī)定：對(duì)通過試驗(yàn)驗(yàn)證的工況，安全系數(shù)可以取1.0，不通過試驗(yàn)驗(yàn)證的工況，安全系數(shù)取1.15。因此，工況S1.1—S3.2安全系數(shù)取1.0，其他工況取1.15。

圖3 BM1模塊有限元模型

圖4 整列車有限元模型

圖5 固定鉸模型

圖6 上閉合鉸模型

圖7 上開放鉸模型

圖8 轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)化模型

表2 基本靜態(tài)工況

表3 由S4.1形成的組合工況

表4 由S4.2形成的組合工況

各計(jì)算工況下，受力較大的部位均出現(xiàn)在底架結(jié)構(gòu)，特別是轉(zhuǎn)向架模塊的底架結(jié)構(gòu)，存在局部應(yīng)力集中的部位個(gè)別節(jié)點(diǎn)當(dāng)量應(yīng)力有超出材料屈服強(qiáng)度的情況，根據(jù)EN 12663第3.4.2節(jié)規(guī)定，“對(duì)于應(yīng)力集中部位，如果塑性變形足夠小，卸載后不發(fā)生明顯的永久變形，則該部位的應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度是允許的”。

工況S1.1—S2.2為同一類型載荷，車體主要承受縱向和垂向載荷。車體結(jié)構(gòu)在該類型工況下的應(yīng)力分布總體較均勻，載荷傳遞順暢，縱向載荷主要通過底架結(jié)構(gòu)中間縱向梁傳遞。轉(zhuǎn)向架模塊高應(yīng)力區(qū)主要集中在縱向載荷加載區(qū)域（如防爬器安裝面和車鉤安裝面）、司機(jī)室結(jié)構(gòu)與底架端梁的螺栓連接區(qū)域、固定鉸附件及腹板拐角處，這些部位是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注及局部加強(qiáng)的區(qū)域。

在S2.1工況下，BM1、BM3和BM5模塊的應(yīng)力分布具有相似性，且應(yīng)力等級(jí)相差不大。以BM1模塊為例，由于加載區(qū)域應(yīng)力集中的原因，最大應(yīng)力出現(xiàn)在防爬器安裝面上；底架腹板拐角個(gè)別點(diǎn)有應(yīng)力集中，其他部位應(yīng)力均低于材料屈服強(qiáng)度；側(cè)墻、車頂和端墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。SM2和SM4模塊的應(yīng)力分布具有相似性，高應(yīng)力區(qū)域主要出現(xiàn)在端部橫梁蓋板上及門角等部位，車頂和端墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力則遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。S2.1工況下各模塊應(yīng)力分布見表5。

根據(jù)EN 12663-1：2010附件A要點(diǎn)a，局部應(yīng)力集中若超過允許等級(jí)應(yīng)采取特殊方式處理。最大應(yīng)力等級(jí)應(yīng)滿足Neuber’s規(guī)則且在線性分析和韌性材料中不應(yīng)超過以下值：

式中：σmax為所有工況中最大計(jì)算應(yīng)力；σmin為所有工況中最小計(jì)算應(yīng)力；R為材料的屈服強(qiáng)度；S為是安全系數(shù)。

表5 S2.1工況各模塊應(yīng)力分布

圖9 S2.1工況下BM1司機(jī)室結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖10 S2.1工況下BM1底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖11 S2.1工況下BM1側(cè)墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖12 S2.1工況下SM2底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖13 S2.1工況下SM2側(cè)墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

即使所有計(jì)算工況下σmin=0，這兩處的局部應(yīng)力集中處最大應(yīng)力σmax可達(dá)到700 MPa。

綜合以上分析，這兩處結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度是允許并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的。

工況S4.1.1—S4.1.4為同一類型工況，主要考核車輛在緊急制動(dòng)、經(jīng)過道口并在橫風(fēng)綜合作用下車體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、大小及應(yīng)力分布。在該類載荷作用下，高應(yīng)力區(qū)主要分布在底架端頭橫梁、牽引桿安裝座及連接牽引桿安裝座、枕梁的橫梁。

在S4.1.1工況下，BM1、BM3和BM5模塊的應(yīng)力分布具有相似性，且應(yīng)力等級(jí)相差不大。以BM1模塊為例，底架端部端頭橫梁蓋板個(gè)別位置應(yīng)力偏大，其他部位應(yīng)力均低于材料屈服強(qiáng)度；側(cè)墻、車頂和端墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。SM2和SM4模塊的應(yīng)力分布具有相似性，高應(yīng)力區(qū)域主要出現(xiàn)在底架端頭橫梁蓋板及門角等部位，車頂和端墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力則遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。S4.1.1工況下各模塊應(yīng)力分布見表6。

工況S4.2.1—S4.2.4為同一類型工況，主要考核車輛在常用制動(dòng)、經(jīng)過道岔及軌道超高情況下車體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、大小及應(yīng)力分布。在該類載荷作用下，除了單個(gè)車體模塊自身發(fā)生扭轉(zhuǎn)外，相鄰模塊也發(fā)生一定角度的繞X軸的扭轉(zhuǎn)角度，使得連接固定鉸的端頭橫梁成為該類載荷作用下的高應(yīng)力區(qū)，其他高應(yīng)力區(qū)還分布在牽引桿安裝座及連接牽引桿安裝座和枕梁的橫梁處。

表6 S4.1.1工況各模塊應(yīng)力分布

圖14 S4.1.1工況下BM1底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖一

圖15 S4.1.1工況下BM1底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖二

圖16 S4.1.1工況下BM1側(cè)墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖17 S4.1.1工況下SM2底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖18 S4.1.1工況下SM2側(cè)墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

在S4.2.1工況下，BM1、BM3和BM5模塊的應(yīng)力分布具有相似性，且應(yīng)力等級(jí)相差不大。以BM1模塊為例，底架端部端頭橫梁蓋板的圓弧處應(yīng)力偏大，但應(yīng)力均低于材料屈服強(qiáng)度；側(cè)墻、車頂和端墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。與BM1模塊不同的是BM3模塊枕梁加強(qiáng)板拐角處應(yīng)力偏大。SM2和SM4模塊的應(yīng)力分布具有相似性，高應(yīng)力區(qū)域主要出現(xiàn)在底架靠近固定鉸的圓弧處及門角等部位，車頂和端墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力則遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度。S4.2.1工況下各模塊應(yīng)力分布見表7。

表7 S4.2.1工況各模塊應(yīng)力分布

本次研究?jī)H在相同類型載荷工況中選取一個(gè)典型工況進(jìn)行結(jié)果分析，其他工況的應(yīng)力分布與這些典型工況相似，且強(qiáng)度校核合格，不再累述。

5 結(jié)論

通過對(duì)低地板輕軌車體各載荷工況下的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，說明車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，應(yīng)力分布均勻，載荷傳遞順暢。得出以下結(jié)論：

（1）采用整列車裝配有限元模型進(jìn)行仿真分析時(shí)，如何準(zhǔn)確模擬相鄰鉸接結(jié)構(gòu)的連接及轉(zhuǎn)向架與車體結(jié)構(gòu)的連接成為有限元建模的關(guān)鍵，一般采用CBUSH單元和一維單元CROD或CBEAM單元進(jìn)行模擬，并設(shè)置合適的材料參數(shù)或單元屬性，使其與實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度相匹配；

（2）所有工況下，轉(zhuǎn)向架模塊的應(yīng)力分布具有相似性，且應(yīng)力等級(jí)相當(dāng)，客室模塊也具有類似規(guī)律；

（3）底架是低地板輕軌車體的主要承載部件，高應(yīng)力區(qū)均發(fā)生在底架，尤其是端梁端部圓弧處及固定鉸附近；

（4）在強(qiáng)度校核過程中，雖然出現(xiàn)了個(gè)別位置當(dāng)量應(yīng)力有超出材料屈服強(qiáng)度的情況，但周圍節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，認(rèn)為車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確合理，強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖19 S4.2.1工況下BM1底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖20 S4.2.1工況下BM1側(cè)墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖21 S4.2.1工況下BM3底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖一

圖22 S4.2.1工況下BM3底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖二

圖23 S4.2.1工況下SM2底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖24 S4.2.1工況下SM2側(cè)墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖25 S4.2.1工況下SM2端墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

[1]王新國(guó)，張松江．低地板車輛的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．電力機(jī)車與城軌車輛，2003，26(4)：47-49．

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[3]李明，戴煥云，丁磊．70%低地板輕軌車建模及動(dòng)力學(xué)分析[J]．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2004，4(2)：49-52．

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[5]牛錫平，周希楹，任利惠，等．100%低地板輕軌車輛車體固定鉸強(qiáng)度分析[J]．鐵道機(jī)車車輛，2008，28(6)：43-46．

[6]BS EN 12663-1：2010 Railway applications-structural requirements of railway vehicle bodies[S]．

[7]VDV 152：1992 符合BOStrab規(guī)定的公共客運(yùn)軌道車輛的結(jié)構(gòu)要求[S]．