地鐵車車體結(jié)構(gòu)性能仿真分析

許 喆，李永華，盛自強，劉東亮

（1.中國中車唐山機車車輛有限公司技術(shù)研究中心，河北 唐山 063500；2.大連交通大學(xué)a.機械工程學(xué)院；b.機車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

0 引言

地鐵車體作為運輸乘客的直接載體，車體的設(shè)計和制造水平與車輛運行舒適性和安全性有著緊密的聯(lián)系[1-2]。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性是保證車輛結(jié)構(gòu)安全極其重要一環(huán)，因此需要對新設(shè)計的車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能仿真分析，以發(fā)現(xiàn)其設(shè)計的不合理之處，為后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供理論參考。以往對于車體的結(jié)構(gòu)性能分析通常采用實車試驗的方式進(jìn)行，該方法費用高昂且耗時耗力，增加了車輛設(shè)計的研發(fā)成本[3]。有限元法因其對求解區(qū)域的適應(yīng)性強、求解效率和精度高，在工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。王秋實等[7]通過有限元分析技術(shù)對機車轉(zhuǎn)向架的強度及模態(tài)進(jìn)行了校核，得出轉(zhuǎn)向架構(gòu)架滿足設(shè)計要求的結(jié)論。劉春艷等[8]利用有限元仿真對軌道客車的車體結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行了分析，并且與試驗結(jié)果作對比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗結(jié)果十分接近，表明仿真分析可用于指導(dǎo)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計。王青權(quán)等[9]以某型軌道客車的鋁合金車體為研究對象，采用有限元仿真和試驗相結(jié)合的方法分析了車體的靜強度特性，發(fā)現(xiàn)車體安全系數(shù)較高存有一定的輕量化空間，此外還找出了車體應(yīng)力較大的區(qū)域，為后續(xù)車輛機構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)提供了依據(jù)。Dumitriu等[10]基于有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)在車體底架橫梁上安裝抗彎連桿，可以有效提高車輛的行駛平穩(wěn)性。

本文以某型地鐵車車體為研究對象，基于Hy?permesh軟件建立其有限元模型，依據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)中P-Ⅲ車輛類型相關(guān)載荷要求確定車體各計算工況，對車體進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能仿真分析。分析結(jié)果表明，根據(jù)GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，車體各項性能參數(shù)均滿足設(shè)計要求。

1 地鐵車車體有限元模型的建立

車體主要包括車頂、底架、側(cè)墻、端墻和司機室，本文的研究對象為中間車車體，因此不含有司機室結(jié)構(gòu)。車體主要有薄板鋁合金材料焊接而成。

將車體幾何模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分?？紤]到車體的結(jié)構(gòu)特點和保證計算的精確性，車體的有限元模型主要以四節(jié)點薄殼單元構(gòu)成，網(wǎng)格大小控制在30mm左右。板材之間使用梁單元模擬。劃分完成后的車體有限元模型如圖1所示。該有限元模型由156 127個單元，1 394 380個節(jié)點組成，車體材料的性能參數(shù)見表1。

表1 材料的性能參數(shù)

圖1 車體有限元模型

2 車體剛度、靜強度及模態(tài)分析

2.1 確定計算工況和位移約束條件

根據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)中P-Ⅲ車輛類型相關(guān)載荷要求確定車體靜強度計算工況。選取車體超員狀態(tài)垂向載荷工況，最大垂向載荷工況和二位端端墻上邊梁位置150 kN壓縮工況進(jìn)行車體的靜強度和剛度校核。在四個空氣彈簧座處約束垂向位移，在兩個中心銷處約束橫向位移，在二位端車鉤座處約束縱向位移。各工況載荷及其約束條件見表2，各工況位移邊界條件示意圖如圖2所示。

表2 計算工況列表

圖2 車體邊界約束示意圖

2.2 車體剛度分析

車體在最大垂向載荷作用下，其剛度分析主要關(guān)注部位是邊梁的垂向位移。根據(jù)GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求：在最大垂向載荷作用下，車體底架邊梁靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離1‰。本文所研究的車輛定距為12 600 mm，因此車輛底架邊梁的垂向位移不得超過12.6 mm。有限元仿真所得邊梁垂向位移云圖如圖3所示。由圖3可知，其垂向最大位移為12.4 mm，小于設(shè)計許用值，車體剛度滿足設(shè)計要求。

圖3 最大載荷作用下車體垂向位移云圖

2.3 車體靜強度分析

在2.1中確定的工況下，對車體進(jìn)行靜強度仿真分析，計算出各工況下車體最大應(yīng)力。工況1到工況3的應(yīng)力云圖分別如圖4到圖6所示。各工況最大應(yīng)力出現(xiàn)部位、應(yīng)力大小及其安全系數(shù)見表3。

圖4 工況1仿真結(jié)果應(yīng)力云圖

圖5 工況2仿真結(jié)果應(yīng)力云圖

圖6 工況3仿真結(jié)果應(yīng)力云圖

表3 各工況仿真結(jié)果的對比

通過各工況仿真分析結(jié)果可知，各工況下車體最大等效應(yīng)力均小于材料屈服強度，各部位安全系數(shù)均大于1，車體靜強度分析結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。從應(yīng)力云圖中可知車窗角、車頂與端墻焊縫處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注此部分區(qū)域。

2.4 車體模態(tài)分析

車輛行駛的安全性、可靠性和舒適性與車體自身振動特性緊密相關(guān)[11]。當(dāng)車體結(jié)構(gòu)的某一固有頻率等于或接近外界激勵頻率時，車體結(jié)構(gòu)將會發(fā)生共振，從而對車輛的安全性造成直接影響。因此，對新設(shè)計的車體需要通過模態(tài)分析來評估其是否會發(fā)生共振現(xiàn)象。

在模態(tài)計算中，對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自由模態(tài)分析。車體的固有頻率通常有多階，其中前6階為剛性模態(tài)，7階以后為彈性模態(tài)。工程實際中，通常關(guān)注的是彈性模態(tài)，因此前6階模態(tài)本文不予考慮[12]。表4為車體7～15階模態(tài)計算結(jié)果。對車體模態(tài)進(jìn)行分析時，需要捕捉車體的一階垂向彎曲振型和一階扭轉(zhuǎn)振型。車體一階垂向彎曲振型云圖和一階扭轉(zhuǎn)振型云圖分別如圖7和圖8所示。

表4 車體模態(tài)分析結(jié)果

圖7 一階垂向彎曲振型云圖

圖8 一階扭轉(zhuǎn)振型云圖

由車體模態(tài)計算結(jié)果可知車體結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲頻率為17.70 Hz，一階扭轉(zhuǎn)頻率為17.75 Hz，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向架的垂向自振頻率小于等于2 Hz。因此車體結(jié)構(gòu)不會與轉(zhuǎn)向架發(fā)生共振，該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

3 車體疲勞強度分析

本次疲勞強度評估方法采用疲勞極限法[13]。疲勞極限是一個應(yīng)力程度，如果計算應(yīng)力不超過材料的疲勞極限，在該應(yīng)力程度時就不會發(fā)生疲勞損壞，也即無限壽命。首先根據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)確定了疲勞強度計算工況，具體工況數(shù)值見表5。材料的疲勞極限圖如圖9所示，焊縫等級取為F。

圖9 材料疲勞極限圖

表5 疲勞計算工況列表

表5中g(shù)為重力加速度，值為9.8 m/s2。疲勞強度的分析結(jié)果如下：

①疲勞工況1為縱向載荷工況，應(yīng)力比R=-1，該工況下最大第一主應(yīng)力為8 MPa，出現(xiàn)在車鉤座處，由圖9（a）可知其未超過母材的疲勞極限50 MPa，滿足設(shè)計要求。疲勞工況1的應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 疲勞工況1的應(yīng)力云圖

②疲勞工況2為橫向載荷工況，應(yīng)力比R=-1，該工況下最大第一主應(yīng)力為4.9 MPa，出現(xiàn)在端墻門柱與底架連接處，由圖9（b）可知其未超過焊縫的疲勞極限15.9 MPa。疲勞工況2的應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11 疲勞工況2的應(yīng)力云圖

③疲勞工況3為垂向載荷工況，應(yīng)力比R=0.74，該工況下最大第一主應(yīng)力為2.7 MPa，發(fā)生在側(cè)墻窗角處，由圖9（a）可知其未超過母材的疲勞極限40 MPa。疲勞工況3的應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖12 疲勞工況3的應(yīng)力云圖

綜上所述，通過對車體進(jìn)行疲勞強度分析，車體各部位在各疲勞強度工況下的最大第一主應(yīng)力均未超過母材或焊縫的疲勞極限，表明該結(jié)構(gòu)滿足疲勞強度設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文以某型地鐵車車體為研究對象，建立其有限元模型，基于有限元法對其剛度、靜強度、模態(tài)和疲勞強度進(jìn)行了校核，得出以下結(jié)論：

①車體在最大垂向載荷作用下，其底架邊梁最大垂向位移12.4 mm，小于設(shè)計要求12.6 mm，滿足車體的剛度設(shè)計要求。

②車體在三種靜強度載荷工況下，最大等效應(yīng)力均小于材料的屈服強度，且安全系數(shù)均大于1，由此可知車體滿足靜強度設(shè)計要求；此外，還對車體進(jìn)行了模態(tài)分析，模態(tài)計算結(jié)果表明車體不會與轉(zhuǎn)向架發(fā)生共振，滿足設(shè)計要求。

③通過對車體的疲勞強度計算分析可知，車體各部位在各疲勞工況下的最大第一主應(yīng)力均未超過母材或焊縫的疲勞極限，滿足車體疲勞強度設(shè)計要求。