大運量高安全性地鐵車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)

孫澤 李剛 李宏雙

摘要：城市軌道交通憑借快速、便捷、安全、運量大和運輸效率高等特性，成為城市公共交通的重要組成部分。高載客量，高安全性能和高速度等級地鐵車輛已成為大中城市關(guān)注的方向。基于近期研發(fā)的A型地鐵車輛為基礎(chǔ)，從車輛結(jié)構(gòu)的材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計，仿真分析的計算和試驗的驗證等方面闡述高載客量高安全性能車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計研發(fā)。

關(guān)鍵詞：車輛結(jié)構(gòu)；高安全性；高載客量；不銹鋼

1 車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

A型不銹鋼車輛，車輛寬度為3.1米，運行速度130km/h。八輛編組，五動三拖。車輛在正常載員工況下，包含座位，每列車載客323人。正常工況載員7人/平方米，超常工況載員9人/平方米，乘客質(zhì)量按照65KG考慮。車輛運行速度高，載員多，設(shè)計壽命也較以往車輛的30年提高到40年。在車輛結(jié)構(gòu)研發(fā)中，需充分考慮高度、強度、碰撞以及疲勞等性能的綜合要求。

2 車輛結(jié)構(gòu)及材料

車輛結(jié)構(gòu)由車頂、底架、側(cè)墻、后端墻和前端結(jié)構(gòu)六大組件組成，各大部件之間通過焊接連接。主要采用SUS301L系列不銹鋼材料，耐腐蝕性能好，多種不同強度等級材料可依據(jù)不同部位的設(shè)計進行選擇。底架端部結(jié)構(gòu)、司機室骨架結(jié)構(gòu)、與轉(zhuǎn)向架接口的枕梁結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件選用S500MC的高強度碳鋼材料。

頭車端部底架設(shè)有結(jié)構(gòu)吸能區(qū)，采用階梯式壓潰設(shè)計概念，當(dāng)車鉤等吸能原件完成觸發(fā)和能量吸收之后，剩余的碰撞能量將由車輛結(jié)構(gòu)進行吸收，從而將碰撞事故產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞控制在車輛的最前部，給司機和乘客足夠的逃生空間，確保生命安全。

端部底架結(jié)構(gòu)主要采用高耐候鋼。邊梁為主要承載部件，車輛的剛度和強度重要組成部件，設(shè)計成中空大斷面矩形閉口冷彎型材結(jié)構(gòu)。在它們之間布置不銹鋼主橫梁，底架上面鋪設(shè)0.8mm厚度不銹鋼波紋地板，斷面形式進行優(yōu)化設(shè)計，以保證車輛剛度。大設(shè)備的安裝橫梁采用高強度碳鋼材料，其他位置主橫梁選用SUS301L-DLT材料，500mm左右間距布置，根據(jù)電氣設(shè)備安裝需求，可適當(dāng)調(diào)整。

車頂結(jié)構(gòu)是由兩根冷彎型鋼邊梁和側(cè)頂板點焊組成車頂邊梁結(jié)構(gòu)，厚度選取2mm，材料選取SUS301L-ST，即保證冷彎成型又滿足強度要求。數(shù)根拉彎成形的車頂彎梁點焊在一起，形成桁架結(jié)構(gòu)，然后在桁架上鋪設(shè)波紋頂板。局部彎梁根據(jù)車頂設(shè)備安裝需求，采用帽形結(jié)構(gòu)，厚度選用2mm。

側(cè)墻結(jié)構(gòu)主要由立柱、橫梁、外板補強梁、門扣鐵、窗框、外墻板等組成。主要為點焊結(jié)構(gòu)，以SUS301L-HT材料為主，具有較高的強度。立柱斷面采用帽形結(jié)構(gòu)，與外板點焊后形成箱形結(jié)構(gòu)，具有足夠的抗彎性能。門口位置立柱厚度加大，滿足車輛疲勞性能要求。立柱之間設(shè)計外板補強梁，采用屈服強度搞得SUS301L-HT材料，其斷面形狀類似雙帽型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能具有較大截面系數(shù)，通過與外板的點焊，能夠降低側(cè)墻外板受載后的失穩(wěn)，提升側(cè)墻整體剛度。窗角和門角位置適當(dāng)增加連接，焊點可以較密集布置，以30-50mm間距為主。

端墻端角柱由兩個型材點焊連接組成中空矩形結(jié)構(gòu)，提供良好的端部加載支撐，局部位置進行加強，在斷面內(nèi)增加支撐結(jié)構(gòu)，增大剛度和強度。整體采用板梁點焊結(jié)構(gòu)。端墻和側(cè)墻連接位置焊接過渡C型橫梁，端部加載時，起到很好的傳力作用。司機室骨架在腰帶位置進行加強，采用高強碳鋼材料，弧焊為主。

提高車輛結(jié)構(gòu)的整體剛度和疲勞性能，車頂和側(cè)墻的連接，底架和側(cè)墻的連接是關(guān)鍵點。加強側(cè)墻立柱和底架邊梁的連接，在側(cè)墻立柱的根部點焊連接角鐵，并將連接角鐵弧焊至底架邊梁上，使整個車輛在斷面上呈現(xiàn)閉環(huán)連接。采用過渡連接方式，將車頂和側(cè)墻在車輛縱向方向上全部建立連接。

3 仿真分析與驗證

對車輛結(jié)構(gòu)采用CATIA軟件建立三維模型，并采用Hyper Mesh軟件劃分，對于重要部位實行局部細(xì)劃，最后運用ANSYS有限元分析軟件對該車體結(jié)構(gòu)計算分析。經(jīng)仿真分析，車輛結(jié)構(gòu)就得靜強度、模態(tài)、屈曲以及疲勞性能，均滿足EN12663和BS 7608的要求。依據(jù)EN12663，選取部分關(guān)鍵工況進行靜載試驗，在車輛結(jié)構(gòu)中選取關(guān)鍵位置，布置應(yīng)變片，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工況，對實車進行加載。設(shè)計的頭車和中間車均通過試驗驗證。

首先，采用1D能量分配方法，校核和確定吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計。分析計算完成后，根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)1：1試驗樣件，對吸能結(jié)構(gòu)進行碰撞試驗，并與3D碰撞分析進行比對。試驗結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。采用LS-Dyna軟件進行車輛結(jié)構(gòu)的碰撞性能模擬，整車碰撞分析結(jié)果表明，在碰撞工況下，車輛沒有發(fā)生脫軌、防爬等事故，司機和乘客具有充分的逃生空間，車輛碰撞過程的平均減速度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

通過計算分析和試驗驗證，車輛的防撞擊、車體的強度等性能滿足歐洲最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。車體的縱向靜壓載荷達到180噸，是國內(nèi)一般地鐵車輛的2倍。車輛的頭車設(shè)有“ 結(jié)構(gòu)吸能區(qū)”，在碰撞情況下，參與吸能，車輛的安全性能更高。車輛最高可搭乘9人/平方米，更有效緩解城市軌道交通高峰時期的運載問題。

參考文獻

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（作者單位：中車長春軌道客車股份有限公司）