城軌地鐵頭車車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度仿真與分析

王 松 龔 振 張寅河

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，交通擁堵成為各城市面臨的共同問(wèn)題，發(fā)達(dá)的城市軌道交通系統(tǒng)成為解決交通擁堵問(wèn)題的必然選擇。地鐵車輛作為城市軌道交通工具，在城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)揮著重要作用，并且其正呈現(xiàn)客戶需求多樣化、運(yùn)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)。地鐵車輛的設(shè)計(jì)在兼顧客戶個(gè)性化需求的同時(shí)，更應(yīng)該充分考慮運(yùn)營(yíng)環(huán)境的要求，具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以確保車輛連續(xù)穩(wěn)定安全運(yùn)行。本文以某城軌地鐵車輛頭車車體為研究對(duì)象，驗(yàn)證設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度。

1 鋁合金地鐵頭車車體結(jié)構(gòu)

鋁合金城軌地鐵頭車車體采用全長(zhǎng)大型中空鋁合金擠壓型材組焊成筒型整體承載結(jié)構(gòu)。由底架、側(cè)墻、車頂、端墻和司機(jī)室(僅頭車有)大部件組成，如圖1所示。其中底架作為車體的重要承載部件，主要由通長(zhǎng)的地板、端部底架和中部橫梁組成。側(cè)墻(單側(cè))采用雙層中空薄壁型材。車頂由中空擠壓型材阻焊而成的通長(zhǎng)弧頂結(jié)構(gòu)。

圖1 頭車車體結(jié)構(gòu)示意圖

2 頭車車體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

2.1 頭車車體結(jié)構(gòu)有限元模型

該頭車車體結(jié)構(gòu)本次分析采用HYPERWORKS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。采用20mm左右的SHELL單元離散車體結(jié)構(gòu)，采用剛性桿單元施加沖擊座載荷、空調(diào)系統(tǒng)載荷和車下吊掛設(shè)備載荷。車體模型包括200萬(wàn)個(gè)單元和180萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖2顯示車體有限元模型，其中X軸、Y軸和Z軸分別表示車體橫向、垂向和縱向。

圖2 頭車車體有限元模型

2.2 頭車車體載荷工況和邊界條件

根據(jù)EN 12663:2010 鐵道應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該地鐵進(jìn)行了9種工況仿真，這9種計(jì)算工況分別是：

計(jì)算工況1：超員工況；

計(jì)算工況2：最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況；

計(jì)算工況3：車體自重與1200kN縱向壓縮載荷相結(jié)合的復(fù)合壓縮工況；

計(jì)算工況4：超員工況與1200kN縱向壓縮載荷相結(jié)合的復(fù)合壓縮工況；

計(jì)算工況5：車身自重與960kN縱向拉伸載荷相結(jié)合的復(fù)合壓縮工況；

計(jì)算工況6：超員工況與960kN縱向拉伸載荷相結(jié)合的復(fù)合壓縮工況；

計(jì)算工況7：一端抬車工況；

計(jì)算工況8：兩端抬車工況；

計(jì)算工況9：三點(diǎn)支撐工況。

3 頭車車體結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 變形分析

3.2 應(yīng)力分析

表1列出了該地鐵頭車車體主要零部件的應(yīng)力結(jié)果，并與材料的屈服強(qiáng)度做了對(duì)比。

表1 車體主要零部件的最大vonMiss應(yīng)力和屈服強(qiáng)度對(duì)比

從表1的對(duì)比結(jié)果可以看出，該地鐵頭車車體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都在屈服極限的范圍內(nèi)。

3.3 模態(tài)分析

為了準(zhǔn)確研究車體剛度，計(jì)算車體結(jié)構(gòu)模態(tài)。表2列出車體結(jié)構(gòu)模態(tài)的計(jì)算結(jié)果。圖3是整車模態(tài)圖。

表2 車體模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖3 整車模態(tài)圖

從仿真結(jié)果可以得出，頭車車體結(jié)構(gòu)的一階垂彎頻率為18.2Hz，而在整備狀態(tài)下一階垂彎頻率為10.6Hz，該數(shù)值與運(yùn)營(yíng)車輛模態(tài)基本一致，滿足在設(shè)計(jì)要求中避開(kāi)轉(zhuǎn)向架的自振頻率的要求。

4 結(jié)論

本文依據(jù)《EN12663:2010 鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》和城軌地鐵的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)對(duì)該地鐵頭車車體結(jié)構(gòu)有限元分析得出以下結(jié)論：

(1)在最大垂向載荷作用下，車體底架邊梁中部斷面處垂直撓度為6.3mm，小于兩轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn)之間的距離的1‰，該頭車車體剛度滿足GB/T 7928-2003 地鐵車輛通用技術(shù)條件的要求。

(2)該頭車車體結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件的vonMiss應(yīng)力均小于材料的屈服極限。

(3)該頭車車體結(jié)構(gòu)的一階垂彎頻率為18.2Hz，而在整備狀態(tài)下一階垂彎頻率為10.6Hz，該數(shù)值與運(yùn)營(yíng)車輛模態(tài)基本一致，滿足在設(shè)計(jì)要求中避開(kāi)轉(zhuǎn)向架的自振頻率的要求。

綜上所述，該地鐵頭車車體的剛度和靜強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)需求。

[1] 李婭娜，程則嶺．地鐵頭車車體靜強(qiáng)度仿真與試驗(yàn)對(duì)比及仿真模型修正[J]．計(jì)算機(jī)輔助工程，2017，26(2)：53-57．

[2] 王為輝，袁磊．鋁合金鐵車體剛度和靜強(qiáng)度仿真及有效性分析[J]．山東工業(yè)技術(shù)，2016,(3)：242-242．

[3] 王曉陽(yáng)，李曉峰，李世戰(zhàn)．鋼鋁混合地鐵車輛靜強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]．城市軌道交通研究，2015，18(10)：93-97．

[4] 許嬌，田愛(ài)琴，張文彬．全自動(dòng)駕駛地鐵不銹鋼車體靜強(qiáng)度和模態(tài)分析[J]．大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38(2)：34-36．