基于ANSYS的B型地鐵車體分析及強度研究

李思++劉娟娟++王國靜++蘇強++果立奎

摘 要：本文以薄壁鼓形整體承載的鋁合金B(yǎng)型地鐵車車體結(jié)構(gòu)為研究對象，對其進行了車體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計、力學(xué)承載特性分析。按照EN12663標準要求確定載荷及工況，運用有限元分析軟件AYSYS對車體進行靜強度仿真計算，結(jié)果表明該鋁合金B(yǎng)型地鐵車體的強度、剛度均滿足安全可靠性要求。同時為此類車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金；車體；強度；剛度

中圖分類號：U27 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0051-03

1 引言

高效便捷的軌道交通是緩解我國由于城市人口迅速增長而造成交通巨大壓力的首選方案，地鐵以其自身環(huán)保、節(jié)約、高效、舒適的特點，逐漸成為現(xiàn)代城市公共客運交通體系的骨干[1]。鋁合金地鐵車體是城市軌道交通設(shè)備的重要組成部分，與傳統(tǒng)的鋼制車輛相比，具有密度小、強度高、耐腐蝕性和成型性能好等優(yōu)點[2]。

2 鋁合金B(yǎng)型地鐵車體結(jié)構(gòu)特點

鋁合金B(yǎng)型地鐵車體由大型中空鋁合金型材組焊而成，為鼓形整體承載結(jié)構(gòu)，能夠承受垂直、縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)等載荷。車體組成采用模塊化設(shè)計，主要由底架、側(cè)墻、車頂、端墻及司機室等模塊組成，各大部位之間通過焊接的方式連接起來，使得車體具有很好的防振、隔音效果。車體結(jié)構(gòu)分解圖詳見圖1。

2.1 底架組成

底架由一、二位端牽枕緩、地板、邊梁、端梁等部件組成。底架的設(shè)計充分考慮車輛的被動安全性能，為提高列車吸收撞擊能量的能力，除加大列車車鉤緩沖系統(tǒng)能量吸收能力外，頭車底架在司機室前端所對應(yīng)的位置設(shè)有底架前端模塊，并且設(shè)有撞擊能量吸收變形區(qū)。在首尾車司機室端底架處設(shè)有防爬裝置，防止兩列車發(fā)生沖撞時產(chǎn)生爬疊。

2.2 側(cè)墻組成

側(cè)墻是由一、二位側(cè)墻構(gòu)成，側(cè)墻帶盲窗。兩側(cè)側(cè)墻對稱排布，每側(cè)側(cè)墻由五塊側(cè)墻模塊組成，每塊側(cè)墻模塊由側(cè)墻型材和門立柱組成。側(cè)墻最寬處為2750mm，在滿足車輛限界同時最大限度地增大車輛的載客量。門角和窗角為應(yīng)力集中區(qū)，在設(shè)計時采用了側(cè)墻板窗口整體加工的方式，窗角處圓滑過渡，在門角區(qū)域采用整體加工圓弧過渡，保證焊縫避開門角應(yīng)力集中區(qū)。

2.3 車頂組成

車頂主結(jié)構(gòu)由平頂組成、車頂邊梁組成、圓弧頂組成拼焊而成，采用高低頂結(jié)構(gòu)。型材壁厚考慮輕量化的設(shè)計，并在空調(diào)安裝座的位置加厚，來滿足空調(diào)安裝座的焊接和安裝強度要求。在車頂型材上設(shè)置有沿車長方向上的通長防滑走行立筋，保證車頂設(shè)備維護時走行安全。車頂邊梁型材外側(cè)設(shè)置有一體式雨檐，引導(dǎo)積水從車體兩端排水管排出。

2.4 端墻組成

端墻是由兩根門立柱、一根門上橫梁、端墻板組成。門立柱以及門上橫梁組焊成一個骨架結(jié)構(gòu)，外側(cè)焊接端墻板。端墻板采用12mm厚的寬幅鋁板材拼焊而成，端墻板外側(cè)輪廓與側(cè)墻外側(cè)輪廓匹配?？紤]平頂排水，在端墻上部設(shè)置排水口。端墻結(jié)構(gòu)能夠滿足貫通道機構(gòu)安裝的結(jié)構(gòu)要求。

2.5 司機室骨架結(jié)構(gòu)

司機室骨架采用鋁型材拼焊形成整體骨架結(jié)構(gòu)，端部設(shè)置周圈彎曲連接梁，此連接梁與車體之間采用螺栓連接。司機室骨架的下部立柱設(shè)置有連接板，連接板與底架前端直接采用螺栓連接，玻璃鋼外罩通過螺栓固定在司機室骨架上。

3 鋁合金B(yǎng)型車車體強度計算

鋁合金車體有限元模型構(gòu)成以任意四節(jié)點等參薄殼單元為主，與板單元相比，殼單元由于結(jié)合考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，因此，具有更高的計算精度?？紤]到車體的底架與牽引梁、枕梁、緩沖梁的連接方式的特點，在建立車體有限元模型時，采用梁單元來模擬車體的底架與牽引梁、枕梁、連接梁的焊接關(guān)系；車體結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示。

3.1 車體靜強度載荷工況

根據(jù)相關(guān)標準和車體技術(shù)規(guī)范要求（EN12663-1：2010《鐵路應(yīng)用——鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》中的類別PⅢ），對車體進行了19種靜強度載荷工況的計算分析，有效地模擬了鋁合金B(yǎng)型地鐵車輛在運營過程中的狀態(tài)，仿真工況及參數(shù)如表1所示。

3.2 車體靜強度計算結(jié)果與分析

將上述載荷施加在有限元計算模型上，得到車體靜強度計算結(jié)果，各工況的最大計算應(yīng)力如表2所示。

3.2.1 靜強度分析結(jié)果

由靜強度的計算結(jié)果（表2）可知，各種工況下，高應(yīng)力區(qū)域主要集中于下門角補強角、緩沖梁下蓋板、二位端端墻立柱、枕梁下蓋板、門角上型材、牽引銷安裝孔處、車頂板上，車體結(jié)構(gòu)的計算應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，滿足EN 12663-1：2010中關(guān)于強度的要求。其中最危險工況為工況7，應(yīng)力云圖詳見圖3。

3.2.2 剛度分析結(jié)果

最大垂向載荷（工況7）作用下，車體底架邊梁下面最大垂向位移10.6mm，如圖4所示。根據(jù)GB/T7928-2003《 地鐵車輛通用技術(shù)條件》標準要求：在最大垂向載荷作用下，車體底架邊梁靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離1‰。該車車輛定距12600mm，滿足要求。

4 結(jié)語

（1）進過分析計算，該B型地鐵在各個工況下的應(yīng)力水平都不超過相應(yīng)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的許用應(yīng)力，并且其垂向剛度變形在允許范圍內(nèi)，車體的強度、剛度均滿足相應(yīng)標準的要求。

（2）計算結(jié)果表明：采用鋁合金作為B型地鐵的車體材料，在車體的強度和剛度滿足標準要求的同時，也實現(xiàn)了車體質(zhì)量的輕量化。

參考文獻

[1]陸娟.鋁合金地鐵車體靜、動態(tài)及疲勞分析[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]姚曙光，許平.新材料在高速客車上的應(yīng)用川[J].中國鐵道科學(xué)，2001，26（4）：24-26.