等斷面地鐵車輛車體側(cè)墻梁柱增加減重孔可行性研究

許娜 劉杰 王科飛 劉勇鑫

中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 130062

對地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)而言，輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。目前主要從材料和結(jié)構(gòu)兩方面研究輕量化技術(shù)。材料方面，當(dāng)前運(yùn)用比較成熟的技術(shù)主要是鋁合金車體，例如，上海、武漢等大中城市多條線路運(yùn)營的鋁合金車體。結(jié)構(gòu)方面，輕量化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的針對性，特別是對不銹鋼車體車輛來講，具有很深入的研究空間。

1 車體結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

不銹鋼地鐵車輛具有制造技術(shù)成熟、抗腐蝕性能優(yōu)良、免維修維護(hù)等特點(diǎn)。本文基于B型、等斷面（無機(jī)組和受電弓平臺）[1]、不銹鋼地鐵車輛的車體結(jié)構(gòu)，選擇某個帶司機(jī)室的車型建模，根據(jù)EN12663：2010鐵路應(yīng)用-軌道車輛的車體結(jié)構(gòu)要求利用ANSYS子模型分析技術(shù)[2]進(jìn)行研究分析。全車主要采用SUS301L系列不銹鋼材料，整車為板梁結(jié)構(gòu)，各部件通過點(diǎn)焊輔以弧焊連接[3]。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 減重方案設(shè)計(jì)

2.1 減重孔的設(shè)計(jì)

根據(jù)車輛裝配、功能接口和梁柱斷面完整性等需求，進(jìn)行側(cè)墻增加減重孔方案設(shè)計(jì)，在梁柱與墻板貼合面區(qū)域避開點(diǎn)焊點(diǎn)位置增加10×20或10×30的長圓孔。根據(jù)減重孔布置形式，單車減重約為5-10Kg。

2.2 材料的選擇

為分析研究側(cè)墻減重孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用意義，本文結(jié)合既有車輛常規(guī)選材原則對梁柱、墻板等主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行特定材料賦值，然后利用ANASYS進(jìn)行分析測試。墻板選用SUS301L-DLT，立柱及補(bǔ)強(qiáng)梁選用SUS301L-MT。

3 計(jì)算對比分析

有限元分析模型建立?；谀稠?xiàng)目搭建車體有限元模型。為給出明顯確切的研究結(jié)果，建模時，使一側(cè)側(cè)墻維持原結(jié)構(gòu)，另一側(cè)增加減重孔，然后對減重前后的全車結(jié)構(gòu)、側(cè)墻對稱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況進(jìn)行比對分析。

經(jīng)分析，所有計(jì)算工況下，減重前后的車頂、端墻、底架等主要受力部位應(yīng)力值變化可忽略不計(jì)。壓縮、拉伸、三點(diǎn)支撐等工況下，整車應(yīng)力變化最大點(diǎn)出現(xiàn)在枕梁附近區(qū)域的側(cè)墻客室窗角、客室門角處，應(yīng)力變化值低于10MPa，且均未超出材料的屈服極限。應(yīng)力變化較大點(diǎn)數(shù)據(jù)采集見表2。截取部分有限元分析位置及結(jié)果見圖1、圖2。

表2 仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)采集

圖1 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位置示意

圖2 窗側(cè)立柱受力（點(diǎn)3）

針對枕內(nèi)三點(diǎn)支撐工況，受力變化較大位置在點(diǎn)1附近的窗側(cè)立柱上，與其它工況不同，增開減重孔后，立柱所受應(yīng)力呈下降趨勢。

4 結(jié)語

通過計(jì)算分析得出，側(cè)墻梁柱增加減重孔前后，整體應(yīng)力在門角、窗角、架車位處的外墻板上等應(yīng)力集中多發(fā)區(qū)域呈增加趨勢，在梁柱上呈下降趨勢，且主要發(fā)生在拉伸、壓縮、三點(diǎn)支撐工況，增幅均低于10MPa，滿足仿真分析中安全系數(shù)的要求。由此該減重設(shè)計(jì)方案具備一定的效果，但該方案的后續(xù)運(yùn)用，須根據(jù)車輛具體特點(diǎn)、梁柱成型工藝、選用材料并結(jié)合整體性能要求等統(tǒng)籌考慮。