鋁合金地鐵車體靜強(qiáng)度和模態(tài)分析

聶雙雙 張寅河

摘 要：以某城軌鋁合金地鐵為研究對象，根據(jù)鋁合金地鐵車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，簡化該車體幾何模型，建立相應(yīng)的有限元模型。基于車體靜強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，確定9種車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的計(jì)算工況，在這些計(jì)算工況作用下，計(jì)算車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度。計(jì)算在最大垂直載荷作用下車體結(jié)構(gòu)剛度，以及車體結(jié)構(gòu)模態(tài)與整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)模態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明該鋁合金地鐵車體結(jié)構(gòu)的剛度、靜強(qiáng)度和模態(tài)均滿足車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：鋁合金車體；有限元；靜強(qiáng)度；模態(tài)

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.18.084

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，地鐵作為各大城市的重要交通工具之一，研發(fā)水平在不斷地提高，在車體新材料和新工藝方面的研究也越來越多。鋁合金材料以密度小、密封性好和易于擠壓成型等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于鋁合金地鐵車體。為確保車輛在工作狀態(tài)下安全可靠，車體結(jié)構(gòu)必須要有足夠的剛度和強(qiáng)度，滿足相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算分析主要采用有限元法，為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 車體結(jié)構(gòu)與有限元模型

本文以某城軌鋁合金地鐵中間車為研究對象，車體采用全長的大型中空鋁合金擠壓型材組焊成筒型整體承載結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由底架、車頂、側(cè)墻和端墻焊接而成。底架采用無中梁結(jié)構(gòu)，主要有牽引梁、枕梁、邊梁、橫梁和地板組成。車頂由5塊3種擠壓模塊用縱向焊縫拼焊、空調(diào)安裝平臺和受電弓安裝平臺等組成。側(cè)墻由4種擠壓模塊用縱向焊縫拼焊和門立柱等組成。端墻由端角柱、門口立柱、墻板、側(cè)頂彎梁和橫梁拼焊而成。該鋁合金地鐵車體的長度、高度和最大寬度分別為22880mm、2725mm和3000mm。

在分析了鋁合金車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料的力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，采用HYPERWORKS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。采用SHELL單元離散車體結(jié)構(gòu)，車體模型包括196萬個(gè)單元和176萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 計(jì)算工況和評定標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《BS EN12663：2010 鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》，確定車體靜強(qiáng)度計(jì)算工況。此次分析主要包括9個(gè)計(jì)算工況：（1）計(jì)算工況1：空載工況；（2）計(jì)算工況2：最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況；（3）計(jì)算工況3：空載壓縮工況；（4）計(jì)算工況4：空載拉伸工況；（5）計(jì)算工況5：超員壓縮工況；（6）計(jì)算工況6：超員拉伸工況；（7）計(jì)算工況7：兩端抬車工況；（8）計(jì)算工況8：一端抬車工況；（9）計(jì)算工況9：三點(diǎn)支撐工況。同時(shí)計(jì)算車體結(jié)構(gòu)模態(tài)和整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)模態(tài)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 剛度計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算工況2作用下，車體底架邊梁中央斷面處垂直撓度為12.2mm。根據(jù)GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定，在最大垂直載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支承點(diǎn)之間距離的1‰（15.7mm），即車體的撓跨比≤1‰。經(jīng)計(jì)算可知，車體的撓跨比為0.78‰，該車體的剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

計(jì)算工況1和2主要校核在垂向載荷作用下車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度情況，車體結(jié)構(gòu)的vonMises應(yīng)力分布情況非常相似。由于計(jì)算工況2的垂向載荷比計(jì)算工況1 的垂向載荷大，所以車體各個(gè)部位的vonMises應(yīng)力值也較大。在計(jì)算工況2作用下，側(cè)墻中枕內(nèi)第一個(gè)門發(fā)生較大菱形變形，所以最大vonMises應(yīng)力發(fā)生在側(cè)墻中枕內(nèi)第一個(gè)門的門上角，如圖1所示。側(cè)墻門上角的vonMises應(yīng)力值為95.8MPa，該值小于門上角材料的屈服強(qiáng)度115MPa。

計(jì)算工況3-6主要校核在垂向和縱向載荷共同作用下車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度情況。在計(jì)算工況3作用下，車體底架的最大vonMises應(yīng)力發(fā)生在車鉤安裝座補(bǔ)板，焊縫發(fā)生在邊梁緩沖梁連接處，如圖2所示。這是因?yàn)槭┘虞d荷通過補(bǔ)板將力傳遞到牽引梁，邊梁緩沖梁斷面不同，連接處結(jié)構(gòu)突變。車鉤安裝座補(bǔ)板的vonMises應(yīng)力值為305.3MPa，小于補(bǔ)板材料的屈服強(qiáng)度335MPa；邊梁緩沖梁連接焊縫的vonMises應(yīng)力值為106.2MPa，小于焊縫材料的屈服強(qiáng)度115MPa。在計(jì)算工況4-6作用下，車體底架的最大vonMises應(yīng)力同樣發(fā)生在車鉤安裝座補(bǔ)板，焊縫的最大vonMises應(yīng)力同樣發(fā)生在邊梁緩沖梁連接處。計(jì)算工況4的vonMises應(yīng)力值分別為244.9MPa、81.9MPa，如圖3所示。計(jì)算工況5的vonMises應(yīng)力值分別304.8MPa、108.1MPa，如圖4所示。計(jì)算工況6的vonMises應(yīng)力值分別為245.4MPa、80.1 MPa，如圖5所示。以上應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度335MPa、115 MPa。

計(jì)算工況7-9需要抬起車體結(jié)構(gòu)，在車體處于抬起狀態(tài)時(shí)，車體重量主要由抬車墊板承擔(dān)，尤其是兩端抬車工況和三點(diǎn)支撐工況。因而車體底架的最大vonMises應(yīng)力發(fā)生在抬車區(qū)域。如圖6-8所示，枕梁邊梁焊縫處的最大vonMises應(yīng)力值為82.0 MPa，小于焊縫材料的屈服強(qiáng)度115MPa。

3.3 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

模態(tài)分析中沒有考慮車體結(jié)構(gòu)的位移約束，表1列出了車體結(jié)構(gòu)的主要固有頻率。從表1可以看出整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)的整車一階彎曲固有頻率大于10Hz，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

基于HYPERWORKS有限元分析方法，以鋁合金地鐵車體為研究對象，建立有限元模型，計(jì)算在各種工況作用下車體的剛度、靜強(qiáng)度和模態(tài)，得出該鋁合金地鐵車體結(jié)構(gòu)的剛度、靜強(qiáng)度和模態(tài)均滿足相關(guān)要求，為以后的車體有限元分析和設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

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