不銹鋼地鐵車輛車下牽引設(shè)備吊掛結(jié)構(gòu)研究

關(guān)顯濤 王 琛

0 概述

不銹鋼地鐵車輛車體以強(qiáng)度重量比高、耐腐蝕性好、壽命長、安全性高和維修量少等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到業(yè)主青睞，已在國外的城軌車輛中得到廣泛的應(yīng)用[1]。不銹鋼車體采用板梁結(jié)構(gòu)，部件較多，焊接相對復(fù)雜，同時(shí)不銹鋼車體材料本身熱傳導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)高，也導(dǎo)致焊接性能較差。為了保證車體強(qiáng)度，及乘客人身安全，須對不銹鋼地鐵車輛車下吊裝設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核。

目前，較為普遍的校核方式為車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)，該方法耗時(shí)、費(fèi)力、且研制周期較長。隨著有限元仿真技術(shù)的成熟，并成功用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為不銹鋼地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化和解決方案，大幅縮短了研制周期和成本，大大提高了產(chǎn)品的可靠性。

地鐵車輛車下牽引設(shè)備具有體積大和質(zhì)量大的特點(diǎn)，其中輔助充電箱約1 210 Kg、牽引高壓箱約1 050 Kg、牽引輔助箱約1 200 Kg。這三個(gè)設(shè)備的吊掛結(jié)構(gòu)相同，本文以輔助充電箱為研究對象，建立車體結(jié)構(gòu)有限元仿真模型，對輔助充電箱吊掛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析，以驗(yàn)證車下牽引設(shè)備吊掛結(jié)構(gòu)是否滿足EN12663:2010 中關(guān)于車下吊裝設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)載荷工況要求。

1 車體有限元模型及載荷工況

1.1 車體主要技術(shù)參數(shù)

B 型不銹鋼地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)斷面多為下直上斜型，采用板梁組焊結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、頂棚、端墻四部分結(jié)構(gòu)組成，其載客量及車輛主要技術(shù)參數(shù)見表1、表2。

1.2 設(shè)計(jì)載荷及工況

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參考EN12663-2010《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》和GB/T7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》，EN12663-2010 中將客運(yùn)車輛分為5 種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類別，地鐵車輛屬于P-III 類別。

表1 車輛主要技術(shù)參數(shù)

表2 載客容量

表3 X- 方向的加速度加速度單位：m/s2

表4 Y- 方向的加速度加速度單位：m/s2

表5 Z- 方向的加速度加速度單位：m/s2

車下吊裝設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)載荷工況，計(jì)算車輛運(yùn)營期間作用于車下吊裝設(shè)備上的載荷，應(yīng)單個(gè)設(shè)備的質(zhì)量乘以垂直、橫向及縱向的加速度，計(jì)算公式如下[2]。

垂直載荷：

其中mi為設(shè)備重量。

1.3 建立車體底架結(jié)構(gòu)三維模型

運(yùn)用cero2.0 三維建模軟件建立車下設(shè)備懸掛模型，如圖1所示。

圖1 底架結(jié)構(gòu)

圖2 輔助充電箱懸掛結(jié)構(gòu)

輔助充電箱吊掛結(jié)構(gòu)由縱梁（一）、縱梁（二）、縱梁（三）、縱梁（四）、邊梁補(bǔ)強(qiáng)板、不銹鋼邊梁、主橫梁、彎梁和轉(zhuǎn)接座組成，如圖2 所示。

2 建立有限元模型

將底架結(jié)構(gòu)的三維模型與側(cè)墻、頂棚、端墻三部分的模型進(jìn)行裝配后，建立車體結(jié)構(gòu)有限元模型。

2.1 計(jì)算坐標(biāo)系定義

本文中所有涉及坐標(biāo)系的方向如圖3 所示。

圖3 坐標(biāo)系方向

X 向：從坐標(biāo)原點(diǎn)指向車體底架二位端。

Y 向：從坐標(biāo)原點(diǎn)指向頂棚。

Z 向：從坐標(biāo)原點(diǎn)垂直指向車體右側(cè)。

2.2 網(wǎng)格的劃分

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)主要采用4 節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元模擬主體結(jié)構(gòu)，用梁單元模擬焊點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)。在底架結(jié)構(gòu)等較厚的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)的采用六面體實(shí)體單元模擬。殼單元的尺寸（長度）在大多數(shù)的結(jié)構(gòu)部件中的典型長度約為20～25 mm，而在更多的細(xì)化區(qū)域則要小一些，有的地方的單元長度約為4～6 mm。車體的有限元模型單元總數(shù)為1 584 442，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 432 347。不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

圖4 整車網(wǎng)格劃分

圖5 底架吊裝設(shè)備布置

2.3 車輛質(zhì)量模擬

車體結(jié)構(gòu)有限元模型建立過程中采用的單元類型有殼單元shell181，實(shí)體單元solid185，梁單元beam188，集中質(zhì)量元mass21。車體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量為7.5t，底架吊掛設(shè)備布置如圖5 所示。

3 車體靜強(qiáng)度分析

3.1 算法原理

有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限單元法作為數(shù)值分析方法的另一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示全求解域上待求的未知場函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在單元的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達(dá)。這樣一來，一個(gè)問題的有限元分析中，未知場函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知量（也即自由度），從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)求解域上的近似值。顯然隨著單元數(shù)目的增加，也即單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度數(shù)的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的近似程度將不斷改進(jìn)。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解[3]。

3.2 評定標(biāo)準(zhǔn)

EN12663-2010《鐵道應(yīng)用-軌道車輛的結(jié)構(gòu)要求》要求：在計(jì)算工況作用下，車體結(jié)構(gòu)的最大Von. Mises 應(yīng)力均不得大于車體部件所用材料的屈服強(qiáng)度。

3.3 車下吊裝設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)載荷工況邊界條件

縱向載荷縱向，縱向加速度a縱向?yàn)? g。

其中mi為設(shè)備重量。

車下吊裝設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)載荷工況邊界條件如圖6 所示。

圖6 車下吊裝設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)載荷工況邊界條件

3.4 結(jié)果分析

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)Von. Mises 應(yīng)力云如圖7 所示。

圖7 車體Von.Mises 應(yīng)力云圖

輔助充電箱應(yīng)力云圖如8、圖9 所示。

底架結(jié)構(gòu)兩側(cè)邊梁材料為SUS301L（HT）不銹鋼，板厚為4 mm，在底架前后部，與枕梁和端梁碳鋼梁采用塞焊焊接為一體；底架結(jié)構(gòu)端梁采用SUS301L（LT）不銹鋼，厚度為4.0 mm；底架結(jié)構(gòu)主橫梁采用SUS301L（DLT）或（LT）不銹鋼，厚度根據(jù)需要不同采用3 mm 或4.5 mm。不同規(guī)格不銹鋼的主要機(jī)械性能詳見表6。

表6 不同規(guī)格不銹鋼的主要機(jī)械性能

綜合圖7、圖8、圖9 和表6 可以得出結(jié)論：輔助充電箱吊掛結(jié)構(gòu)滿足車下吊裝設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)載荷工況要求。

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文通過對B 型不銹鋼地鐵車輛車下牽引設(shè)備吊掛結(jié)構(gòu)分析，建立底架結(jié)構(gòu)三維模型，并建立整車有限元模型，以輔助充電箱為研究對象，進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了以輔助充電箱為例的車下牽引設(shè)備吊掛結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。