地鐵輕量化車體結(jié)構(gòu)及其模態(tài)分析

蒲茂武

摘 要：簡(jiǎn)述了地鐵車體輕量化對(duì)于高效率運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)效益方面的積極意義，介紹了地鐵鋁合金車體的特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS軟件和模態(tài)分析方法建立了地鐵鋁合金車體的有限元模型，分兩種工況進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算分析，得出了車體的前6階模態(tài)及振型，結(jié)果表明該車體滿足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，并對(duì)車體輕量化工作提出了建議。

關(guān)鍵詞：地鐵車體；輕量化；ANSYS；模態(tài)分析

一、鐵道車輛車體輕量化

鐵道車輛發(fā)展過(guò)程中，為了提高車輛剛度和運(yùn)行速度，車輛由木質(zhì)發(fā)展為鋼制，為了提供良好的舒適度和提高經(jīng)濟(jì)效益，車輛又由鋼制發(fā)展為不銹鋼和鋁合金車輛?，F(xiàn)階段高效率運(yùn)輸對(duì)于鐵道車輛的輕量化設(shè)計(jì)提出了要求，鐵道車輛車體輕量化能減小車輛運(yùn)行阻力，減少運(yùn)行能耗[1]。對(duì)于站間距離較短、需要頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的地鐵車輛來(lái)說(shuō)，車體輕量化在減少能耗方面有著更加明顯的積極意義。另外，車體輕量化能降低因磨耗產(chǎn)生的維修費(fèi)用，能有助于車輛運(yùn)行速度的提高。鋁合金地鐵車體的設(shè)計(jì)是地鐵車輛輕量化的重要課題。

二、鋁合金車體及其結(jié)構(gòu)

鋁合金材料具有較低的密度、良好的強(qiáng)度、耐蝕性能和加工性能且質(zhì)輕柔軟易于再生的特點(diǎn)。地鐵鋁合金車體是一種輕型整體承載結(jié)構(gòu)，主體材料為鋁合金型材，通常采用模塊化結(jié)構(gòu)或全焊接組裝，是一種新型的車體結(jié)構(gòu)[2]。其主要優(yōu)點(diǎn)有：能大幅度降低車輛自重且具有足夠剛度；具有較小的密度及楊氏模量，對(duì)沖擊載荷有較高能量吸收能力，可降低振動(dòng)，減少噪聲；大型中空擠壓型材的氣密性設(shè)計(jì)，提高車輛密封性能，提高乘坐舒適性；采用大型中空擠壓型材制造的板塊式結(jié)構(gòu)，可減少連接件的數(shù)量和重量；減少維修費(fèi)用，延長(zhǎng)使用壽命。

地鐵輕量化鋁合金車體主要底架、側(cè)墻、車頂、端墻等承載部件大都采用大型中空截面擠壓型材，整車結(jié)構(gòu)由這些型材焊接、鉚釘或螺栓連接而成，中空鋁合金型材斷面如圖1所示，型材四周壁厚3mm左右，中間筋厚2-2.5mm，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是為了減少焊接變形。使用大型擠壓型材，進(jìn)行熱處理后，其機(jī)械性能有很大的提高。大型擠壓型材的組合使車輛制造時(shí)焊接大量減少，但制造成本增大。鋁合金車體、車體底架、車頂斷面形式如圖1所示。

三、模態(tài)分析理論

四、鋁合金車體模態(tài)分析

車體結(jié)構(gòu)模態(tài)是評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行安全性和乘坐舒適性的一個(gè)重要參數(shù)。模態(tài)分析，可以預(yù)測(cè)車體在某一頻域內(nèi)各階模態(tài)的固有頻率及其相應(yīng)的振型，以評(píng)定其動(dòng)態(tài)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

（一）車體有限元模型

車輛長(zhǎng)度19.2 m，車體外側(cè)最大寬度2.9m，車頂外側(cè)最大寬度2.6 m，車輛定距12.6 m，車頂距軌面3.7m，底板距軌面1.1m。本文研究的車體為B 型地鐵鼓形車體，是由大型中空鋁合金擠壓型材全焊接而成的整體框架式承載結(jié)構(gòu)，主要由底架、左右側(cè)墻和頂蓋組成。采用ANSYS軟件建立車體的有限元模型， 由于鋁合金車體的零部件基本上都是薄壁構(gòu)件， 車體結(jié)構(gòu)采用殼單元shell63模擬，懸掛設(shè)備和內(nèi)裝用質(zhì)量單元mass21進(jìn)行模擬，盡可能細(xì)致地離散車體。計(jì)算時(shí)取：楊氏彈性模量E=70GPa；泊松比μ=0.33；質(zhì)量密度ρ=2710。圖2為鋁合金地鐵車體有限元模型。

（二）兩種工況

工況一：為獲得鋁合金車體固有屬性，該工況下車體未施加任何約束及載荷，該工況下沒(méi)有加強(qiáng)側(cè)墻支撐梁與底架的連接，也沒(méi)有加強(qiáng)底架橫梁與底架邊梁之間的連接。經(jīng)過(guò)計(jì)算，去掉車體剛體模態(tài)后，車體前6階模態(tài)見表1，車體對(duì)應(yīng)的前6階模態(tài)變形形狀如圖3。

工況二：在工況一的基礎(chǔ)上，用U型梁加強(qiáng)每個(gè)側(cè)墻車門處支撐梁與底架的連接，用橫梁加強(qiáng)車門處底架縱向梁與底架邊梁之間的連接以提高車體的剛度。進(jìn)行車體模態(tài)分析， 車體前6階模態(tài)見表1，車體對(duì)應(yīng)的前6階模態(tài)變形形狀如圖3。

（三）計(jì)算結(jié)果及分析

鋁合金車體固有屬性， 該工況下車體為獲得鋁合金車體固有屬性， 該工況下車體彎曲未。

計(jì)算結(jié)果所有固有頻率均滿足《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（TB/T1335-1996）中對(duì)車體垂向彎曲振型頻率高于10hz的要求[4]；兩種工況的計(jì)算結(jié)果均反映了側(cè)墻與車頂、側(cè)墻與底架的連接剛度不夠；對(duì)工況一車體進(jìn)行加強(qiáng)后振型不變，橫向和垂向頻率均有所提高，說(shuō)明可加強(qiáng)側(cè)墻與底架的連接及底架邊梁與縱梁的鏈接提高車體的橫向剛度和垂向剛度；僅對(duì)側(cè)墻和底架連接加強(qiáng)而沒(méi)有加強(qiáng)側(cè)墻和車頂鏈接的工況二的側(cè)墻振型頻率提高較車頂明顯，可分析出，如果對(duì)車頂和側(cè)墻進(jìn)行加強(qiáng)使側(cè)墻、車頂、底架形成加強(qiáng)的封閉結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高整體的剛度效果可能會(huì)更顯著。

五、結(jié)語(yǔ)

模態(tài)振型能反映車體的振動(dòng)形式，通過(guò)模態(tài)分析能夠找出車體薄弱之處，為最優(yōu)化提高剛度和車體輕量化提供理論支持；從分析可知，應(yīng)當(dāng)對(duì)側(cè)墻和底架、側(cè)墻和車頂?shù)倪B接進(jìn)行加強(qiáng)，并優(yōu)化焊接工藝，提高其剛度和壽命；影響鋁合金車體的固有頻率的因素主要是其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布，車體需要綜合考慮其輕量化和最低剛度要求，在減小車體質(zhì)量的同時(shí)，使車體整體振型頻率基本滿足最小振型頻率，并通過(guò)對(duì)關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)的方式使之滿足最低剛度要求，確保輕量化和安全舒適性的統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝小海譯.鐵道車輛車體的輕量化和高剛度化技術(shù).國(guó)外機(jī)車車輛工藝，2011

[2] 張洪恩譯. 鋁合金車體. 國(guó)外鐵道車輛. 1986.（3）

[3] 劉堂紅，江帆.基于ANSYS的耐沖擊性客車車體模態(tài)分析.鐵道機(jī)車車輛，2002（6）

[4] TB/T 1335-1996，鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范