地鐵車體的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度模擬研究*

萬志強(qiáng)，宗輝祖，馬 波，黎少東

(1.中國水電四局(蘭州)機(jī)械裝備有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州車輛段，甘肅 蘭州 730050；3.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司嘉峪關(guān)車輛段，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；4.寧波軌道交通集團(tuán)有限公司運營分公司，浙江 寧波 315000)

0 引 言

地鐵的建造已經(jīng)成為了當(dāng)代中國城市建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)，得到世界各國的歡迎。我國許多大中城市早已修剪了地鐵，如北京、上海、天津、深圳等，不少二三線城市也正如日中天的進(jìn)行地鐵項目的修建。地鐵不僅可以避免城市地面擁擠大幅度減輕城市交通負(fù)擔(dān)，而且可以保持低碳綠色、減少噪音。地鐵作為載客車輛在為乘客提供舒適和安全的運輸體驗同時，還必須具備規(guī)定的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

我國學(xué)者在這方面已進(jìn)行了大量研究：姜雪薇[1]建立了鋁合金地鐵車體的有限元模型，對車體進(jìn)行了強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度等方面的仿真分析，利用OptiStruct對車體的型材截面進(jìn)行了優(yōu)化，將優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，再次說明優(yōu)化方案的可行性；陳峻岐[2]采用CATIA軟件建立了地鐵A型車模型，根據(jù)JIS等要求對15種工況進(jìn)行了強(qiáng)度分析，為我國自主研發(fā)地鐵車輛提供了有力依據(jù)；李韜[3]以上海地鐵列車為研究對象，檢驗了國產(chǎn)A型地鐵的性能，對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及剛度進(jìn)行了試驗，對比實驗結(jié)果和模擬計算結(jié)果，得出實驗值與計算值相符合的結(jié)論，地鐵的各個性能滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；王志俊[4]等以6005A-T6鋁合金作為車體主材，在保證地鐵車體的強(qiáng)度剛度，以及保證安全性、可靠性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了A型地鐵的鋁合金車體結(jié)構(gòu)；王國軍[5]等采用有限元分析軟件和Hypermesh軟件建立模型并離散化，研究不同工況下車體的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，并對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

筆者以地鐵車體為研究對象，首先運用SolidWorks軟件建立地鐵車體三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS軟件中的Workbench模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其次并根據(jù)車體所受不同載荷，最后計算并分析車體的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。此研究可為我國地鐵車輛的疲勞強(qiáng)度分析提供一定的理論依據(jù)。

1 車體有限元模型設(shè)置

有限元法是進(jìn)行靜強(qiáng)度分析的成熟數(shù)值計算方法，是解決繁雜的力學(xué)問題的高效率工具。文中在研究過程中選取地鐵車輛的中間車作為數(shù)值模擬研究對象。車體結(jié)構(gòu)為整體承載殼式結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻、車頂?shù)冉M成，車體結(jié)構(gòu)主要由鋁合金6005A-T6型材和5083-H111板材等制成，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN755-2《鋁和鋁合金——擠壓棒材、管材和型材——第二部分 機(jī)械性能》的要求[6]。

1.1 模型建立

地鐵車體長2 3540 mm，車體寬3 000 mm，地板距軌面1 130 mm[7]，根據(jù)截面等效法采用實心結(jié)構(gòu)代替車體中空結(jié)構(gòu)，得到側(cè)墻和車頂板實心板材厚度均為15 mm，底板厚度41 mm[8]，建立幾何模型如圖1所示。采用自由網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行離散化，生成83萬個節(jié)點，16萬個單元，有限元車體模型見圖2。

圖1 車體幾何模型 圖2 車體有限元模型

1.2 材料設(shè)置

車體的強(qiáng)度分析是為了確定其性能滿足我國地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，按照相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，車體設(shè)計載荷工況主要根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-2010以及GB/T 7928-2003標(biāo)準(zhǔn)[9]。其中，車體主要材料EN AW 6005A-T6的泊松比0.3，彈性模量70 GPa，屈服強(qiáng)度215 MPa。

1.3 載荷添加

車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計過程中，會考慮到垂向載荷、縱向載荷以及側(cè)向力等，其中垂向靜載荷包括車體的自重、車輛載客重量以及整備重量，垂向動載荷主要是由于軌道線路不平順等引起的，縱向載荷則主要來自于前后車鉤的拉伸以及壓縮作用。表1和表2分別給出了地鐵載客量及靜載荷各工況。

表1 地鐵載客量

表2 靜載荷各種工況 /kN

2 計算結(jié)果與分析

2.1 車體的靜強(qiáng)度分析

文中主要分析了在垂向載荷作用下以及縱向載荷作用下的不同工況時車體的應(yīng)力。車體靜強(qiáng)度應(yīng)該滿足：在各種載荷工況下，最大應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于或等于所用材料的許用應(yīng)力，即σmax≤[σ][10]。

在“空載載荷”工況1下，車體的最大應(yīng)力值38.5 MPa出現(xiàn)在車體門角處；在“滿座載客”工況2下，車體的最大應(yīng)力值43.2 MPa發(fā)生于車體門角處；在“滿載載客”工況3下，車體的最大應(yīng)力值68.3 MPa位于車體中間下門角處；在“1.3倍最大載荷”工況4下，車體的最大應(yīng)力值102.4 MPa出現(xiàn)于車體后方車門下角；在“最大載荷狀態(tài)下車鉤區(qū)域壓縮載荷”工況5下，車體最大應(yīng)力值167.1 MPa出現(xiàn)在底架牽引梁處，工況1～5下車體的應(yīng)力分布如圖3(a)～(e)所示。

圖3 工況1～5車體應(yīng)力分布云圖

以上最大應(yīng)力值均未超過材料的屈服強(qiáng)度215 MPa，因此說明車體的靜強(qiáng)度滿足EN 12663-2000設(shè)計要求。

2.2 車體的疲勞強(qiáng)度分析

疲勞強(qiáng)度是指零部件抵抗疲勞破壞的能力，是由材料的性能、個別部位的應(yīng)力分布決定的。因此，零件的應(yīng)力集中部分是疲勞強(qiáng)度設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)Goodman曲線的繪制方法[4]得到車體材料鋁合金6005A-T6的Goodman疲勞極限圖如圖4所示。依據(jù)將計算所得疲勞強(qiáng)度平均值繪制與Goodman疲勞極限圖中，通過是否包括在疲勞極限線框圖中來判斷該結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度是否符合要求。

圖4 鋁合金6005A-T6的Goodman疲勞極限圖

地鐵車輛車體受力情況復(fù)雜，根據(jù)EN12663-2010中車體疲勞試驗加載要求，需要對車體施加各方向力，通過加速度轉(zhuǎn)化成疲勞作用力，即分別為：縱向：±0.15 g，橫向：±0.15 g，垂向：(1±0.15)g。

文中選擇了4種具有代表性的工況進(jìn)行求解，得到疲勞危險點在4種工況下的最大主應(yīng)力，然后計算應(yīng)力平均值用于車體的疲勞強(qiáng)度分析。工況1～4下車體各部位的等效應(yīng)力如圖5(a)～(d)所示，其中車體主要各部位最大主應(yīng)力值見表3所列。

圖5 四種代表性工況的等效應(yīng)力

表3 車體各部位不同工況最大主應(yīng)力 /MPa

根據(jù)車體各部位不同工況最大主應(yīng)力計算得車體各部位不同工況平均應(yīng)力如表4所列。

表4 車體各部位不同工況平均應(yīng)力 /MPa

將對應(yīng)各部位平均應(yīng)力繪制于車體主要材料的Goodman疲勞極限圖中，得到圖6。由圖6可知各部位平均應(yīng)力均在疲勞極限圖的范圍內(nèi)，因此地鐵車體疲勞強(qiáng)度滿足EN12663-2010的規(guī)定。

圖6 車體主要材料疲勞極限圖

3 結(jié) 語

以地鐵的車體為研究對象，采用SolidWorks軟件對地鐵車體進(jìn)行了幾何建模，對非承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，利用ANSYS軟件對車體模型進(jìn)行離散，得到車體的有限元模型，其中835234個節(jié)點，167264個單元。然后，根據(jù)EN 12663-2010和GB/T 7928-2003標(biāo)準(zhǔn)，分析了車體進(jìn)行4種不同工況下的靜強(qiáng)度，得到車體各個部位最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足規(guī)定中的相關(guān)要求。最后，選擇了4種具有代表性的疲勞強(qiáng)度工況計算各部位平均應(yīng)力，將計算結(jié)果繪制在Goodman疲勞極限圖上，結(jié)果顯示此地鐵車體的疲勞強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。