上海松江100%低地板有軌電車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計*

□呂元穎

上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司 上海 200245

上海松江100%低地板有軌電車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計*

□呂元穎

上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司 上海 200245

介紹了上海松江100%低地板有軌電車車體結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計要求、材料選型，通過有限元方法對各種靜載和動載工況下的車體模型進行強度計算分析，并通過試驗驗證了計算結(jié)果，使車體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

松江有軌電車是上海首個國產(chǎn)化100%低地板有軌電車項目，采用當(dāng)今世界最先進的Citadis車型，具有全車地板低、縱向無斜坡、爬坡能力強、可通過水平小半徑彎道等特點。車體作為有軌電車的關(guān)鍵部位，是旅客乘坐和司機駕駛的載體。除了需要承載所有內(nèi)外飾部件和機電設(shè)備之外，還需要承受各種動靜載荷與振動，并能適應(yīng)不同速度下的運行工況。因此，有軌電車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選用尤為重要[1-2]。

1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 車體設(shè)計基本要求

作為車輛的承載結(jié)構(gòu)件，車體設(shè)計時除了需要考慮高強度、輕量化、模塊化、安全性、舒適性和可靠性外，還需要考慮維修方便、全生命周期維護成本低，并兼顧車體外部造型、內(nèi)外裝飾、低地板實現(xiàn)、設(shè)備安裝、乘客視野和承載能力等綜合因素。松江有軌電車車體要求采用整體承載結(jié)構(gòu)，材料選用大型中空擠壓鋁型材和合金鋼，車體結(jié)構(gòu)強度要求符合EN12663等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 車輛編組形式

松江有軌電車車輛編組共有5個模塊組成，如圖1所示。其中，M1、M2模塊為帶司機室的動車，C1、C2模塊為懸浮車，NP模塊為拖車，模塊之間采用鉸接和貫通道進行連接，方便連掛、解編與擴編。車輛編組形式為-M1+C1+NP+C2+M2-，其中，-為牽引拉桿，+為鉸接和貫通道。

圖1 車輛編組形式

1.3 各模塊車體結(jié)構(gòu)

M1、M2模塊車體由前端底架、底架、車頂、側(cè)墻、端墻組成，兩側(cè)各設(shè)1個單門和2個側(cè)窗。C1、C2模塊車體由底架、車頂、側(cè)墻、端墻組成，兩側(cè)各設(shè)2個雙門和1個側(cè)窗。NP模塊車體由底架、車頂、側(cè)墻、端墻組成，兩側(cè)各設(shè)2個側(cè)窗。每種模塊車體均由組焊部件通過鉚接和緊固件組裝而成。各模塊車體通過CATIA三維軟件進行設(shè)計[3]，如圖2～圖4所示。

圖2 M1、M2模塊車體

圖3 C1、C2模塊車體

圖4 NP模塊車體

M1、M2、NP模塊車體底架連接轉(zhuǎn)向架，整體選用高強度合金鋼材料。從結(jié)構(gòu)布局上看，中間采用無縱向坡道低地板走廊結(jié)構(gòu)，兩側(cè)各設(shè)計2個方盒結(jié)構(gòu)以避讓轉(zhuǎn)向架彈性輪和電動機等部件。這4個方盒同時又可布置客室固定座椅，滿足整體布局及舒適性要求，如圖5所示。

C1、C2模塊底架主要選用大斷面鋁型材組焊結(jié)構(gòu)，滿足大面積站員需求，如圖6所示。

各模塊車頂均采用鋁型材組焊結(jié)構(gòu)，用于牽引、輔逆、空調(diào)、收電弓等機電設(shè)備安裝；車體兩側(cè)均采用半徑為10 m的圓弧造型；門窗立柱采用鋁型材加熱模壓成型工藝。

圖5 鋼底架

圖6 鋁底架

2 主要技術(shù)參數(shù)

2.1 車輛總體技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上海松江100%低地板有軌電車項目要求，車輛總體主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 車輛總體主要技術(shù)參數(shù)

2.2 各模塊車體技術(shù)參數(shù)

根據(jù)車輛總體主要技術(shù)參數(shù)及車輛限界要求來制定各模塊車體主要技術(shù)參數(shù)，見表2。

表2 各模塊車體主要技術(shù)參數(shù)

2.3 載客工況

根據(jù)車輛座椅布局和客室地板面積計算獲得各種載客工況人數(shù)及質(zhì)量，每人按61 kg進行計算，見表3。

表3 載客工況

2.4 車體撓度要求

在各靜載工況要求中，底架下?lián)隙炔粦?yīng)超過1.5 mm/m。因此，M1、M2模塊車體底架長度為4 935.5 mm，撓度不得超過7.4 mm；C1、C2模塊車體底架長度為5 584.5 mm，撓度不得超過8.4 mm；NP模塊車體底架長度為3 892 mm，撓度不得超過5.8 mm。

3 車體選用材料

為滿足各種工況要求，并結(jié)合各部位特點，松江有軌電車所有模塊車體主要采用合金鋼和鋁合金（鋁型材）兩種材料[4]。

3.1 合金鋼

合金鋼具備抗拉、屈服強度高及承載能力強等特點。M1、M2、NP模塊車體底架為滿足高承載能力和轉(zhuǎn)向架接口沖擊力設(shè)計要求，采用高強度合金鋼RCS355和RCS450。M1、M2模塊前端底架為滿足15 km/h碰撞設(shè)計要求，采用高強度合金鋼RCS450。各模塊車體端墻及車體底架端部鉸接座為滿足鉸接軸承及貫通道等受力件設(shè)計要求，采用高強度合金鋼RCS355。

3.2 鋁合金

鋁合金具備密度低、耐腐蝕性強、加工性能好、焊接方便、組焊后整體承載能力強等特點。C1、C2模塊車體底架為滿足大面積站員承載及平整度要求，采用鋁型材6005A-T6組焊結(jié)構(gòu)。所有模塊車體車頂為滿足機電設(shè)備安裝及平整度要求，同樣選用鋁型材6005A-T6組焊結(jié)構(gòu)。所有模塊車體側(cè)墻和門窗立柱為滿足整體承載能力要求，采用強度較6005A-T6組焊結(jié)構(gòu)更高的鋁型材6082-T6結(jié)構(gòu)[5]。

3.3 各種材料性能參數(shù)

車體結(jié)構(gòu)中使用材料的母材及其焊縫區(qū)域材料性能參數(shù)見表4。

車體材料在1 000萬次疲勞工況中，母材的主要拉伸和壓縮應(yīng)力值不得超過古德曼圖表（半變差）中的值[6]，見表5。各種材料焊接區(qū)域1 000萬次疲勞標(biāo)準(zhǔn)按照有軌電車車體經(jīng)驗執(zhí)行。

表4 材料性能參數(shù) MPa

表5 車體材料母材疲勞強度參數(shù) MPa

4 車體強度計算

4.1 有限元模型建立

按照車體三維模型結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件分別對M和C模塊車體進行有限元建模[7]。對于型材和板材零部件，網(wǎng)格主要由四節(jié)點薄殼件組成。大型組件中復(fù)雜零部件的模型是四節(jié)點四面體實體單元，簡單零部件的模型是八節(jié)點立方實體單元[8,9]。M模塊車體包含約54萬個單元、36萬個節(jié)點，C模塊車體包含約61萬個單元、41萬個節(jié)點。螺栓和鉚釘使用二節(jié)點的梁進行建模，具有適當(dāng)?shù)哪Ａ拷孛婧蛻T性，它們通過剛性連接與孔的邊緣（鉚釘）或墊圈接觸面（螺釘和螺栓）相連。兩個車體模型原點都設(shè)定在二位端鉸接中心線處的軌面上，其中，車體縱向由原點指向一位端為X軸正向，車體橫向由原點指向二位側(cè)為Y軸正向，車體垂向由原點指向車頂為Z軸正向。車體結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖7和圖8所示。

圖7 M模塊車體有限元模型

圖8 C模塊車體有限元模型

4.2 邊界條件

為模擬有軌電車實際工況，在計算前需要對車體模型設(shè)定邊界條件。在M模塊車體模型中，需要在二系鋼簧、固定鉸接、轉(zhuǎn)動鉸接處設(shè)約束。其中，二系鋼簧水平剛度為35 daN/mm，垂直剛度為40 daN/mm。在C模塊車體模型中，需要在固定鉸接、轉(zhuǎn)動鉸接處設(shè)約束。

4.3 計算結(jié)論

根據(jù)EN12663要求，對M和C模塊車體進行靜載和疲勞工況計算[10]，分別取M1模塊和C1模塊的整備質(zhì)量作計算。

M模塊車體計算結(jié)論如下。

（1）各靜載工況中，不同部位母材和焊接部位應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）車體底架下?lián)隙茸畲笾党霈F(xiàn)在1.2×(AW3+整備)靜載工況，下?lián)隙戎禐?.2 mm，小于7.4 mm，滿足要求。如圖9所示。

（3）在AW3+整備靜載工況中，兩側(cè)單門立柱之間尺寸彈性擴張1.4 mm，小于6 mm的要求；兩側(cè)窗立柱之間尺寸彈性擴張2.25 mm，小于6 mm的要求；單門立柱垂向最大彈性變形0.03 mm，小于3 mm的要求；窗立柱垂向最大彈性變形2.54 mm，小于5 mm的要求；單側(cè)門窗立柱之間最大彈性變形0.77 mm，小于1 mm的要求；單門立柱對角線最大彈性變形0.21 mm，小于2.5 mm的要求；窗柱最大對角線彈性變形1.98 mm，小于3 mm的要求。

（4）各疲勞工況中，不同部位母材和焊接部位應(yīng)力值均小于疲勞強度要求。

C模塊車體計算結(jié)論如下。

（1）各靜載工況中，不同部位母材和焊接部位應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）車體底架下?lián)隙茸畲笾党霈F(xiàn)在1.2×(AW3+整備)靜載工況，下?lián)隙戎禐?.89 mm，小于8.4 mm，滿足要求。如圖10所示。

（3）在AW3+整備靜載工況中，兩側(cè)雙門立柱之間尺寸彈性擴張3.94 mm，小于6 mm的要求；雙門立柱垂向最大彈性變形2.35 mm，小于3 mm的要求；單側(cè)門立柱之間最大彈性變形0.78 mm，小于1 mm的要求；門立柱對角線最大彈性變形1.8 mm，小于2.5 mm的要求。

（4）各疲勞工況中，不同部位母材和焊接部位應(yīng)力值均小于疲勞強度要求。

圖9 M模塊車體計算模型圖

圖10 C模塊車體計算模型圖

5 車體強度試驗

車體強度試驗是驗證車體結(jié)構(gòu)設(shè)計和選用材料的關(guān)鍵步驟，是驗證計算結(jié)果的有力依據(jù)。按照工況要求，分別對M、C、NP模塊車體組成樣件進行各項靜載和動載試驗。試驗結(jié)果表明，車體各部位母材和焊接部位的應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足靜載和疲勞強度要求。其中，M模塊車體底架下?lián)隙茸畲笾禐? mm，小于7.4 mm的要求；C模塊車體底架下?lián)隙茸畲笾禐?.8 mm，小于8.4 mm的要求；NP模塊車體底架下?lián)隙茸畲笾禐?.1 mm，小于5.8 mm的要求。另外，車體門窗立柱彈性變形量也在要求范圍之內(nèi)，試驗如圖11所示。

圖11 車體強度試驗

6 結(jié)束語

通過模型計算和樣件試驗，證明上海松江100%低地板有軌電車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計符合靜載和動載要求，待首列松江有軌電車試運行后可進一步對車體結(jié)構(gòu)進行跟蹤研究分析。另外，作為重要承載部件，車體結(jié)構(gòu)設(shè)計仍需要從輕量化、高強度、模塊化、安全性、舒適性、可靠性和可維護性等角度進行優(yōu)化和創(chuàng)新，以及結(jié)合制造、加工、焊接、鉚接和總組成等工藝領(lǐng)域，提升車體生產(chǎn)能力，這些都將為今后100%低地板有軌電車批量國產(chǎn)化制造奠定基礎(chǔ)。

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Presented an introduction on structure characteristics,design requirements and material selection for a 100%lowfloor tramcar body in Songjiang,Shanghai.The finite element method was adopted to perform the strength calculation and analysis for the coach model under a variety of static and dynamic load conditions and the calculated results were verified bytests,sothat the bodystructure could meet the design requirements.

有軌電車；車體結(jié)構(gòu)；設(shè)計

Tramcar；Coach Structure；Design

TH122；U260.32

A

1672-0555（2016）04-001-06

*國家科技支撐計劃項目（編號：2015BAG19B02）

2016年7月

呂元穎（1984—），男，碩士，工程師，主要從事軌道交通車輛研發(fā)設(shè)計工作