基于ANSYS的A型地鐵車(chē)體強(qiáng)度分析研究

吳迪+王志俊+曲凌云+張福李+杜建強(qiáng)

摘 要：本文介紹了薄壁鼓形整體承載式鋁合金A型地鐵車(chē)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并以A型地鐵車(chē)體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了力學(xué)承載特性分析，得到了車(chē)體結(jié)構(gòu)在給定工況下所產(chǎn)生的應(yīng)力。結(jié)果表明該鋁合金A型地鐵車(chē)體的強(qiáng)度符合地鐵車(chē)輛安全性、可靠性的要求。同時(shí)為同類(lèi)型車(chē)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：A型地鐵；車(chē)體結(jié)構(gòu)；ANSYS；強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.387 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）10-0061-03

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快城市人口密度迅速增長(zhǎng)，城市出行交通壓力巨大。因此，舒適、環(huán)保、便捷的城市軌道交通成為各大中型城市公共交通體系的重要組成部分。鋁合金A型地鐵列車(chē)具有車(chē)體強(qiáng)度高、載客空間大、舒適性好以及安全可靠性高的特點(diǎn)，在城市軌道交通建設(shè)中所占比例大幅提升。

2 鋁合金A型地鐵車(chē)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋁合金A型地鐵車(chē)體采用鼓形整體承載式結(jié)構(gòu)，由大型中空的薄壁鋁合金型材組焊而成，主要分為底架、側(cè)墻、車(chē)頂、端墻和司機(jī)室五大模塊，如圖1所示。

底架模塊由地板、邊梁、端梁和牽枕緩等零部件組成，為車(chē)體絕大部分電氣設(shè)備提供安裝接口。側(cè)墻模塊由一位側(cè)墻和二位側(cè)墻兩部分組成，對(duì)稱(chēng)分布在車(chē)體兩側(cè)。車(chē)頂模塊采用高低頂結(jié)構(gòu)，由平頂、圓頂和車(chē)頂邊梁等零部件組成，平頂結(jié)構(gòu)可為空調(diào)系統(tǒng)提供安裝接口。端墻由端墻板、門(mén)立柱和梁等零部件組成，可為貫通道提供安裝接口。司機(jī)室由玻璃鋼外罩和司機(jī)室骨架等零部件組成，采用流線型設(shè)計(jì)，安裝在頭車(chē)前端，其端部設(shè)有碰撞吸能區(qū)，在列車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)此區(qū)域變形，吸收撞擊產(chǎn)生的能量保證乘客的生命安全。

鋁合金A型地鐵車(chē)體采用輕量化設(shè)計(jì)，有效減輕車(chē)體重量的同時(shí)具有很好的隔音隔熱性能，并且能夠承受不同工況下產(chǎn)生的橫向、縱向及垂向載荷。

3 鋁合金A型地鐵車(chē)體有限元模型

鋁合金A型地鐵車(chē)體結(jié)構(gòu)主要采用4節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元模擬主體結(jié)構(gòu)，用質(zhì)量單元模擬附加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以及分布位置，并通過(guò)RIGID單元或RBE3單元及其相鄰的有限元結(jié)構(gòu)連接，在下門(mén)角補(bǔ)強(qiáng)部位等結(jié)構(gòu)采用六面體實(shí)體單元模型[1]。殼單元的尺寸（長(zhǎng)度）在大多數(shù)的結(jié)構(gòu)部件中的典型長(zhǎng)度約為15-20mm，在細(xì)化區(qū)域則小一些，長(zhǎng)度約為4-6mm。本車(chē)體有限元模型單元總數(shù)為3843409，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3260943。車(chē)體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

4 車(chē)體計(jì)算載荷工況

依據(jù)EN12663：2010標(biāo)準(zhǔn)[2]和IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)[3]，計(jì)算了18種載荷工況作用下車(chē)體的靜強(qiáng)度、剛度以及3種載荷工況作用下車(chē)體的疲勞強(qiáng)度，現(xiàn)針對(duì)車(chē)體靜強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，載荷工況如表1所示。

5 車(chē)體靜強(qiáng)度結(jié)果分析

各載荷工況計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2的結(jié)果可以得出：所有計(jì)算工況作用下，車(chē)體的最大Von.Mises應(yīng)力均小于車(chē)體部件所用材料的許用應(yīng)力，符合EN12663：2010《鐵路應(yīng)用-鐵路車(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)，滿足靜強(qiáng)度要求。車(chē)體的最大Von.Mises應(yīng)力發(fā)生在第7種工況下司機(jī)室立柱母材處，應(yīng)力值為156.765MPa，上下門(mén)角補(bǔ)強(qiáng)板區(qū)域、牽引梁下蓋板區(qū)域和司機(jī)室立柱母材區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中高發(fā)區(qū)域，應(yīng)力云圖如圖3所示。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)有限元分析可以有效模擬出車(chē)體結(jié)構(gòu)在各種極限工作條件下發(fā)生最大應(yīng)力集中的區(qū)域，為車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了理論依據(jù)，是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期的有效手段。

（2）本文中鋁合金A型地鐵車(chē)體在各種工況下的應(yīng)力水平均小于對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）本文的車(chē)體強(qiáng)度分析為鋁合金A型地鐵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[2]EN 12663 ：2010《鐵路應(yīng)用——鐵路車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》.

[3]IIW-2008《RECOMMENDATIONS FOR FATIGUE DESIGN OF WELDED JOINTS AND COMPONENTS》.