160 km/h新型中速磁浮交通列車的車體強度分析

王國靜 張福李 徐亞之 伊召鋒

(中車唐山機車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，063035，唐山//第一作者，高級工程師)

磁浮交通列車車體設(shè)計一直是磁浮交通設(shè)計的難點，既要保證車體輕量化，以滿足懸浮要求；又要保證車體強度較高以保障運營安全。本文以中車唐山機車車輛有限公司新研制的160 km/h新型中低速磁浮交通列車(以下簡為“新型磁浮列車”)為例，對列車車體強度進行分析。

1 新型磁浮列車車體結(jié)構(gòu)

1.1 車體斷面

新型磁浮列車車體由大斷面鋁合金擠壓型材焊接而成。車體斷面設(shè)計為帶有弧度的筒型形式，不僅能很好地利用車輛限界、提高載客量，而且流線型的外觀更加美觀。車頂平頂位置設(shè)有與鋁合金型材一體成型的C型槽，用于安裝空調(diào)。這種C型槽固結(jié)強度好，也便于空調(diào)的靈活安裝調(diào)節(jié)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，對新型磁浮列車鋁合金車體進行了全新的設(shè)計[1]：受力很小的側(cè)墻和車頂?shù)炔考?，所用型材壁厚?.3 mm，立筋厚2.0 mm，并在有C型槽位置處進行了局部加厚，以保證C型槽強度；受力較大的立柱及邊梁等部件，所用型材壁厚為3.0 mm和4.0 mm，以保證強度需求。

1.2 車體結(jié)構(gòu)

車頂采用高低頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，其高頂在中部，平頂在端部。平頂能很好地實現(xiàn)車頂排水，便于空調(diào)的檢修和維護[2]。幾乎不受任何作用力的高頂采用薄壁型材，能很好地實現(xiàn)車頂輕量化。

端墻結(jié)構(gòu)簡單，采取鋁合金型材與板材相結(jié)合的形式，工藝性好，質(zhì)量輕。側(cè)墻采用模塊化設(shè)計[3]，易于組裝。

司機室為玻璃鋼材質(zhì)，采用整體出模的形式，其質(zhì)量輕；司機室另一個特點是,通過車體上的C型槽，車體與司機室用螺栓連接，并采用結(jié)構(gòu)膠密封，這樣不會因焊接變形而導(dǎo)致司機室外觀質(zhì)量差。

車體總成最大的結(jié)構(gòu)特點是大部件的連接：側(cè)墻與車頂形成的筒形結(jié)構(gòu)同端墻通過40 mm寬的連接板焊接。在裝配中，車頂、側(cè)墻與端墻可根據(jù)實際尺寸進行打磨，以保證車體總長。這種連接結(jié)構(gòu)使車體總成有良好的工藝性，并大大提高了車體的制造精度和生產(chǎn)效率。

2 車體強度仿真計算與分析

2.1 有限元模型

圖1為頭車車體三維模型，圖2為車體結(jié)構(gòu)有限元模型。其中，車體結(jié)構(gòu)主要采用四邊形板殼單元，車體設(shè)備以質(zhì)量單元的形式通過剛性單元施加在各自質(zhì)心的位置，在車鉤座、轉(zhuǎn)向架連接及架車位處設(shè)剛性元。該有限元模型共包含772 268個單元、630 658個節(jié)點。

圖1 頭車車體三維模型

圖2 車體結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 邊界條件

車輛的主要技術(shù)參數(shù)為車體強度計算提供了邊界條件：帶司機室的動力車車體長度為15 000 mm，車體寬度和高度分別為2 830 mm和3 465 mm。轉(zhuǎn)向架總質(zhì)量為10 t。不同載荷狀態(tài)下的車體質(zhì)量見表1。

表1 不同載荷狀態(tài)下的車體質(zhì)量

2.3 材料和許用應(yīng)力

車體所用材料的靜強度值必須低于材料的屈服極限。在應(yīng)力集中區(qū)域，當載荷撤離后，車體不發(fā)生塑性變形。參考歐洲標準，鋁的密度為2 700 kg/m3，彈性模量為710 00 MPa，泊松比為0.33，材料力學(xué)性能如表2所示[4]。

2.4 計算工況

參照EN 12663-1：2010《鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》，設(shè)定了10種計算工況(見表3)。根據(jù)文獻[5-7]，縱向壓縮力取400 kN，縱向拉伸力取320 kN。表3中的工況4還需計算車體剛度。

表2 車體材料力學(xué)性能

表3 計算工況對應(yīng)的載荷情況[5]

2.5 強度分析

通過仿真計算，得到了10種計算工況下新型磁浮列車車體關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力值，如表4所示。

表4 各計算工況下的關(guān)鍵部位最大應(yīng)力值

從表4可以看出，各工況下的車體強度均滿足EN 12663-1：2010的要求。其中，車體典型部位的應(yīng)力云圖見3圖及圖4。

圖3 車鉤區(qū)域焊縫應(yīng)力云圖

圖4 車鉤區(qū)域母材應(yīng)力云圖

2.6 剛度分析

根據(jù)GB/T 7928—2003要求：在最大垂向載荷作用下，車體靜撓度不超過兩個轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離的0.1%[6，8]?？紤]到車頂和側(cè)墻受力很少，為保證車門等設(shè)備的正常使用，也為了使車輛保持在限界內(nèi)，車體靜撓度驗證以車體底架邊梁的垂向最大位移為驗證指標。新型磁浮列車兩轉(zhuǎn)向架支撐點間距為2 800 mm。由圖5的仿真計算結(jié)果可知，在最大垂向載荷作用下，新型磁浮列車車體的底架邊梁垂向最大位移為0.32 mm?？梢?，該新型磁浮列車車體的剛度滿足標準要求。

圖5 最大垂向荷載作用下的車體底架邊梁垂向位移云圖

3 鋁合金車體靜強度試驗驗證

2017年2月，中鐵檢驗認證(青島)車輛檢驗站有限公司對新型磁浮列車鋁合金車體進行了車體靜強度試驗。專用靜強度試驗臺在進行靜強度試驗時，按各計算工況模擬施加載荷。

在車體強度仿真計算時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較高的位置在底架一位端車鉤和牽引梁處，故在靜強度試驗中對這些區(qū)域進行重點監(jiān)測。例如：在底架一位端車鉤牽引梁處設(shè)置應(yīng)變片E25，測得該處在工況2下的應(yīng)力值最大，為86.4 MPa；在一位端車鉤處設(shè)置應(yīng)變片E09，測得該處在工況3下的應(yīng)力值最大，為118.9 MPa。試驗結(jié)果表明，新型磁浮列車鋁合金車體各測點應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力(見表2)，證明車體強度滿足EN 12663-1:2010的要求。

4 結(jié)語

本文介紹了新型磁浮列車車體的斷面、結(jié)構(gòu)及車體材料，利用有限元分析軟件建立了車體有限元計算模型，著重對車體強度及剛度進行了仿真計算，并對鋁合金車體的靜強度進行了試驗驗證。仿真計算結(jié)果和靜強度試驗結(jié)果表明：該磁浮鋁合金車體滿足EN 12663中車體結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求；而且在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，有限元仿真分析結(jié)果與實體試驗結(jié)論一致。

新型磁浮列車在運營和維護水平方面基本還處于剛剛起步階段，其車體結(jié)構(gòu)強度還要經(jīng)受實際運營的考驗。