基于有限元法的地鐵車體結(jié)構(gòu)性能分析

袁　磊,亓立敏（天津市地下鐵道運營有限公司,天津　300000）

?

基于有限元法的地鐵車體結(jié)構(gòu)性能分析

袁磊,亓立敏
（天津市地下鐵道運營有限公司,天津300000）

摘 要：在分析某地鐵TC車體結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，建立了該車體鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型，同時介紹了關(guān)于地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)分析時所涉及的幾種典型的工況，以及邊界條件的施加。利用有限元分析軟件ANSYS對該鋁合金車體進(jìn)行剛度、靜強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該地鐵TC車車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿足要求。

0　引言

目前,我國城市軌道交通現(xiàn)已進(jìn)入快速發(fā)展階段,許多城市的地鐵也在緊鑼密鼓地修建之中。地鐵的舒適、快捷和便利,成為人們出行的重要交通工具,地鐵也就成為了許多城市交通的重要組成部分。然而地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)的安全性是保證正常運營的前提。為了保證地鐵車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、性能可靠和使用安全，需對車體進(jìn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，通過有限元分析法對車體的強(qiáng)度剛度計算分析已經(jīng)成為校核車體結(jié)構(gòu)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的一種有效的手段。

1　車體簡介

某地鐵TC車車體為輕型鋁合金全焊接的整體承載結(jié)構(gòu)，由車頂、側(cè)墻、底架、端墻和司機(jī)室等幾大部件焊接組成。車頂主體結(jié)構(gòu)由7塊（4種）型材組焊而成，車頂設(shè)置空調(diào)機(jī)組平臺，機(jī)組平臺也是由7塊（4種）型材組焊而成。側(cè)墻主要結(jié)構(gòu)由3種不同鋁型材組焊而成；側(cè)墻型材焊接采用插接及搭接接口；每個側(cè)墻設(shè)4個門口，門口兩側(cè)為立柱，立柱由型材加工而成；在單扇側(cè)墻上有窗口開口。端墻為型材與加強(qiáng)梁組焊結(jié)構(gòu)。底架由鋁地板、邊梁、端梁、枕梁和緩沖梁組成。鋁地板由7塊（3種）型材通過插接接口組焊而成，鋁地板與底架邊梁通過搭接接口組焊。枕梁為焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，枕梁下蓋板形狀及零部件的設(shè)置滿足與轉(zhuǎn)向架接口要求。緩沖梁為焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，上蓋板為10mm鋁板，下蓋板為16mm的鋁板，牽引梁為15mm的鋁板。車鉤安裝座為35mm的鋁型材。

2　有限元模型的建立及計算結(jié)果分析

2.1有限元模型的建立

本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對該TC車鋁合金車體進(jìn)行剛度、靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和模態(tài)分析。建立車體有限元模型時，凡是對該車整體剛度及局部強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)，都予以考慮。為了計算的準(zhǔn)確性，模型構(gòu)成以任意四節(jié)點薄殼單元為主，三節(jié)點薄殼單元為輔。

2.2載荷及約束條件

車體靜強(qiáng)度計算的載荷工況有多種，分別為AW0剛度工況、AW3剛度工況、1.3AW3、AW0 + 縱向拉伸工況、AW0 +縱向壓縮工況、AW3 + 縱向拉伸工況、AW3 +縱向壓縮工況、架車工況、一位端復(fù)軌工況、二位端復(fù)軌工況等。載荷施加的方法是以重力加速度的形式施加，設(shè)備質(zhì)量施加于設(shè)備懸掛處，其余重量均布地板上；縱向載荷作用于一端車鉤座處，縱向載荷分別為拉伸工況下640KN和壓縮工況下800KN；架車工況及復(fù)軌工況下兩端轉(zhuǎn)向架重量分別施加于懸掛處，載荷數(shù)值為1.1g×（AW0+2×轉(zhuǎn)向架重量）。有限元模型的約束條件根據(jù)不同工況下車體實際情況而設(shè)定。

2.3評定標(biāo)準(zhǔn)

（1）按照設(shè)計任務(wù)要求，車體在垂向超員（AW3）載荷工況作用下，車體底架邊梁靜撓度不應(yīng)超過12.6mm。

（2）在所有計算工況作用下，車體各部件的Von.Mises應(yīng)力均不得大于部件所用材料的許用應(yīng)力：① 牽引梁組成、枕梁立筋、車鉤座部件材料的許用應(yīng)力≤350MPa；② 司機(jī)室骨架、地板、底架邊梁、底架端梁、枕梁及其上下蓋板、側(cè)墻板、端墻板、補(bǔ)強(qiáng)梁、頂板等部件的許用應(yīng)力根據(jù)厚度變化的不同其范圍為215～250MPa。

2.4剛度和靜強(qiáng)度結(jié)果分析

（1）剛度結(jié)果分析。AW3計算載荷工況下，車體中部邊梁下翼緣的最大垂向位移為10.595mm。1.3AW3計算載荷工況作用下，車體中部邊梁下翼緣的最大垂向位移為13.774mm。車體下邊梁的垂向位移云圖如圖1所示，可知車體在垂向超員載荷工況作用下的車體底架邊梁靜撓度均未超過12.6mm標(biāo)準(zhǔn)值，該車車體剛度滿足要求。

（2）強(qiáng)度結(jié)果分析。各計算工況作用下，車體的最大應(yīng)力情況如下：計算工況AW0剛度工況、AW3剛度工況和1.3AW3工況下的最大Von.Mises應(yīng)力分別為43MPa、83MPa和108MPa，均發(fā)生在空簧施加位移邊界條件處；AW0 + 縱向拉伸工況、AW3 + 縱向拉伸工況、AW0 + 縱向壓縮工況和AW3 + 縱向壓縮工況下的最大Von.Mises應(yīng)力分別為266MPa、265MPa、239MPa、239MPa發(fā)生在車鉤座施加邊界條件處。部分工況下車體的Von.Mises應(yīng)力云圖如圖1所示。各工況下的Von.Mises應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力，車體強(qiáng)度滿足要求。

3　結(jié)論

本文分析了幾種種組合工況下車體的受力，根據(jù)計算結(jié)果表明其強(qiáng)度與剛度均符合要求。車體的應(yīng)力分布比較均勻，高應(yīng)力基本集中在底架以及前門角，這與車體的結(jié)構(gòu)及承載方式有關(guān)，車體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。另外，有限元分析法在車體結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用能夠縮短設(shè)計周期，減少成本，并對車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[2]嚴(yán)雋耄.車輛工程[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[3]曾祥坤,趙俊杰.基于ANSYS的青藏客車車體強(qiáng)度分析[J].鐵道機(jī)車車輛,2006.

作者簡介：袁磊（1988-）,男,初級工程師,主要從事:地鐵車輛檢修工作。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.217

關(guān)建詞：地鐵；車體；強(qiáng)度分析；有限元