某地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及靜強度計算與試驗

王新磊

摘要：通過有限元仿真方法，在車體滿足整機功能要求和使用要求前提下盡可能進行減重設(shè)計，并對試驗結(jié)果和計算結(jié)果進行對比分析，總結(jié)誤差原因，指導類似車輛車體的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：車體;剛度;強度;有限元

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程，地鐵以其運量大、速度快、安全、舒適、準點、節(jié)能等特點得到了快速發(fā)展[1]。

本文涉及一種地鐵線路養(yǎng)護施工工程車輛車體，其作為承載傳力部件，受各種機構(gòu)、定距及軸重的限制和制約，局部幾何形狀比較復雜，設(shè)計時借助有限元分析[2]，按照整機的基本布局進行車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并委托具有資質(zhì)的第三方測試公司，對車體按相關(guān)標準[3-5]進行了試驗，通過對有限元分析結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比分析，總結(jié)出一套適用本種類型車體的計算方法。

1 車體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為地鐵車輛軸重的限制，既為了減重，又為了車體的強度和剛度能滿足相關(guān)要求[3-5]，車體設(shè)計成上部車廂和下部底架焊接一體承載的整體承載式結(jié)構(gòu)。車廂主要由不同厚度的矩形管或方管和U型折彎件構(gòu)成框架，并采用2.5mm厚的鈑金斷續(xù)焊接，因組裝和部件功能需求到處開孔，底架主要由左右焊接H型鋼和前后部組成框架結(jié)構(gòu)，枕梁為箱型梁，為安裝各個部件在底架內(nèi)分布若干橫梁和縱梁，為安裝工作裝置底架中部有一定的上拱，車體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車體長度為18200mm，寬度2460mm，定距12200mm，重量約11.3t，底架材料為Q420D，車廂鈑金材料為SPCC，其余為Q355B，板厚均不大于16mm，材料參數(shù)如表1所示。

2車體結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

2.1車體有限元模型

利用HyperMesh仿真軟件[6]建立有限元模型，兼顧計算量和計算精度，單元選用4節(jié)點四邊形殼單元shell181，針對不同的矩形管、板等設(shè)置不同的截面參數(shù)，在建模過程中忽略一些小孔、圓弧等細節(jié)，并對重點區(qū)域進行網(wǎng)格細化，整個車體共582746個節(jié)點，597068個單元。

2.2 計算工況及加載

根據(jù)相關(guān)標準規(guī)定[3-5]，車體最主要的測試試驗為垂向剛度試驗和過軌工況下的縱向拉伸、壓縮試驗。因此本次計算針對以下幾種工況進行計算，具體如表2所示。

其中，車體的垂向剛度要滿足標準[3]中的公式：

式中： 為中梁或側(cè)墻中央撓度; 為車輛定距。某地鐵車輛車體心盤定距為12200mm，因此其垂向最大變形不能大于13.6mm。

計算得到的當量應(yīng)力 不應(yīng)超過材料的許用應(yīng)力，當量應(yīng)力公式如下：

式中： 是當量應(yīng)力，MPa; （ =1，2，3）表示主應(yīng)力，MPa。

車體上部各個設(shè)備質(zhì)量用mass質(zhì)量單元來模擬。

垂向靜載荷為車體的整備質(zhì)量，即車體的自重與車體上所有設(shè)備重量之和。拉伸合成載荷包括縱向拉伸載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、側(cè)向力載荷、垂向靜載荷和動載荷，壓縮合成載荷類似。根據(jù)標準要求[3-5]，縱向拉伸載荷為980kN，縱向壓縮載荷為1180kN，扭轉(zhuǎn)載荷為40kN·m，側(cè)向力載荷取垂向靜載荷的10%，垂向動載荷等于垂向靜載荷與垂向動載荷系數(shù)的乘積，垂向動載荷系數(shù)的計算公式為

式中： 是垂向動載荷系數(shù); 為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，取59mm; 是車輛的運行速度，取100km/h; 為系數(shù)，取值為0.05; 為系數(shù)，取值為1.65; 為系數(shù)，簧上部分取值為1.50; 為系數(shù)，簧上部分取值為0.427?？梢杂嬎愠龃瓜騽虞d荷系數(shù)為0.202。

3車體靜強度試驗

某地鐵車輛車體靜強度試驗委托具有資質(zhì)的第三方檢測公司在廠內(nèi)完成，根據(jù)車體的實際工況與受力情況分別進行加載實驗[3]。車體的部分應(yīng)力測試點布置如圖2所示。在測試點處貼單向應(yīng)變片。

車體的垂向靜載荷用25kg/袋的砂袋和不同重量的配重塊代替，試驗現(xiàn)場如圖3所示。

4試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比分析

4.1 垂向剛度

表3列出了有限元計算和試驗得到的垂向靜載荷下最大撓度值。

表3和圖4中負值代表變形是垂直向下的，從表3和圖4可以看出，垂向靜載時車體的仿真計算和試驗最大撓度值都低于13.6mm，車體的剛度是符合標準[3]要求的。計算結(jié)果和試驗結(jié)果的誤差很小，吻合度較好，存在差異的主要原因是因為車體鈑金件和框架是斷續(xù)焊接的，有限元模型和車體的實際情況存在差異造成的。

4.2 強度情況

試驗測試時應(yīng)力測點是單向應(yīng)變片布置，所以計算應(yīng)力也取相同位置和應(yīng)變片布置方向相同的應(yīng)力，所以下表4和表5中，正值代表拉伸應(yīng)力，負值代表壓縮應(yīng)力。拉伸工況下車體應(yīng)力大點的試驗測試結(jié)果和對應(yīng)的有限元計算結(jié)果如表4所示，測點的對應(yīng)圖見圖2。

由表4可得，在拉伸工況下，車體最大試驗應(yīng)力為-198.8MPa，應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)果表明，在拉伸組合工況下車體強度是符合設(shè)計要求的。通過測試應(yīng)力和計算應(yīng)力對比，發(fā)現(xiàn)在中間截面應(yīng)力值吻合較好，前后部和側(cè)墻應(yīng)力相對差一點，這里一是因為本身建模上和實際存在一定差異，二是因為組合工況是多個工況的疊加，累積下來導致誤差偏大。下圖5給出了車體在拉伸工況下的當量應(yīng)力分布圖，從圖上可以看出車體的應(yīng)力主要分布，其結(jié)果和測試結(jié)果也能對應(yīng)上。

表5給出了壓縮工況下部分測試點有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果的應(yīng)力值。

從表5中可見，壓縮工況下最大試驗應(yīng)力為232.8MPa，應(yīng)力值都在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。通過測試應(yīng)力和計算應(yīng)力對比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力值吻合較好，計算偏差不大。下圖6給出了車體在壓縮工況下的當量應(yīng)力分布圖，從圖上可以看出車體的應(yīng)力主要分布，其結(jié)果和測試結(jié)果也能對應(yīng)上。

5結(jié)論

（1）車體的靜強度試驗結(jié)果表明某地鐵車輛車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，強度和剛度能滿足相關(guān)標準要求。

（2）通過試驗結(jié)果和計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，有限元模型和計算方法基本合理，可以指導車體設(shè)計，特別是地鐵車輛等對軸重限制比較嚴格的車輛上，通過有限元仿真計算可以起到很好的減重作用。

（3）優(yōu)化有限元模型和計算方法，使試驗結(jié)果和計算結(jié)果吻合的更好。

參考文獻：

[1] 張振淼.城市軌道交通車輛[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

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[6] 賀李平，肖介平，龍凱.ANSYS14.5與HyperMesh12.0聯(lián)合仿真有限元分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.