高強(qiáng)度B型地鐵車(chē)體結(jié)構(gòu)輕量化研究

何文佳，許晶晶，陳 瑩，陳 希

(1.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412000； 2.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412000； 3.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)B型地鐵車(chē)體的強(qiáng)度指標(biāo)通常必須滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度1 000 kN、抗拉強(qiáng)度960 kN；高強(qiáng)度B型車(chē)體必須滿(mǎn)足A型車(chē)體的強(qiáng)度指標(biāo)，即能滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度1 200 kN、抗拉強(qiáng)度960 kN。為滿(mǎn)足高強(qiáng)度指標(biāo)，高強(qiáng)度鋁合金B(yǎng)型車(chē)體重量一般達(dá)到了6.8 t以上。隨著各地鐵公司對(duì)綠色運(yùn)營(yíng)、智慧地鐵的要求越來(lái)越高，對(duì)車(chē)輛的重量指標(biāo)控制也越加嚴(yán)格。在滿(mǎn)足高強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，對(duì)車(chē)體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的需求變得愈加迫切。

1 車(chē)體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度B型車(chē)體進(jìn)行有限元分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，車(chē)體結(jié)構(gòu)在側(cè)墻板、頂蓋邊梁等部件強(qiáng)度余量較大，存在輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。同時(shí)側(cè)墻板一般采用5塊型材拼焊，焊縫較多，側(cè)墻平面度較難控制；頂蓋一般采用單層頂蓋，頂蓋強(qiáng)度及隔聲性能有待改善；空調(diào)底板及受電弓底板上需要額外焊接縱橫梁、風(fēng)道、布線安裝座，整個(gè)頂蓋上安裝座數(shù)量及種類(lèi)繁多，非常不利于頂蓋的模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)車(chē)體在重量、強(qiáng)度、隔聲、模塊化設(shè)計(jì)等方面存在較大的優(yōu)化空間。

1.1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

側(cè)墻結(jié)構(gòu)通常采用40 mm厚度的5塊型材拼焊而成，型材內(nèi)部筋板一般采用斜向布置。為實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，將內(nèi)部筋板布置由斜向布置優(yōu)化為橫向布置，如圖1所示。同時(shí)，為減少側(cè)墻板焊縫數(shù)量，采用寬體側(cè)墻型材，將組成側(cè)墻板的型材數(shù)量由5塊優(yōu)化為4塊，達(dá)到提高側(cè)墻板平面度指標(biāo)的目的。側(cè)墻結(jié)構(gòu)通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)后，側(cè)墻結(jié)構(gòu)可減重60 kg。

1.2 頂蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

B型車(chē)頂蓋邊梁通常由邊梁、長(zhǎng)梁組焊而成。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將頂蓋邊梁與頂蓋長(zhǎng)梁設(shè)計(jì)為一種型材結(jié)構(gòu)，取消了頂蓋邊梁與長(zhǎng)梁的連接焊縫，有利于減少頂蓋邊梁的變形，同時(shí)通過(guò)合理調(diào)整頂蓋邊梁內(nèi)部筋板布置，有效實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)。頂蓋邊梁優(yōu)化如圖2所示。

(a)優(yōu)化前的側(cè)墻結(jié)構(gòu) (b)優(yōu)化后的側(cè)墻結(jié)構(gòu)

(a)優(yōu)化前的頂蓋邊梁結(jié)構(gòu) (b)優(yōu)化后的頂蓋邊梁結(jié)構(gòu)

圓弧頂蓋由原先的單層頂蓋優(yōu)化為雙層頂蓋結(jié)構(gòu)，通過(guò)噪聲測(cè)試，優(yōu)化后整車(chē)隔聲性能有約3 dB的提升，提高了乘客乘坐舒適度。同時(shí)圓弧頂蓋型材根據(jù)縱橫梁、空調(diào)風(fēng)道、頂蓋布線接口設(shè)計(jì)為自帶C型槽的結(jié)構(gòu)，極大地減少了各種安裝座的焊接，且安裝的工藝性和效率得到明顯提升。圓弧頂蓋的優(yōu)化如圖3所示。圓弧頂蓋經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化，節(jié)車(chē)可減重230 kg。

(a)優(yōu)化前的圓弧頂蓋結(jié)構(gòu) (b)優(yōu)化后的圓弧頂蓋結(jié)構(gòu)

1.3 底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

底架作為整個(gè)車(chē)體主要承載結(jié)構(gòu)，承受車(chē)體縱向拉壓載荷及乘客垂向載荷的綜合作用。底架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接決定整個(gè)車(chē)體的強(qiáng)度指標(biāo)。

底架緩沖梁蓋板圓弧區(qū)域因結(jié)構(gòu)突變，且直接傳遞拉壓載荷，應(yīng)力集中比較明顯。將緩沖梁蓋板由板材結(jié)構(gòu)優(yōu)化為帽形型材結(jié)構(gòu)，使緩沖梁蓋板與緩沖梁連接焊縫遠(yuǎn)離圓弧過(guò)渡區(qū)域的高應(yīng)力區(qū)，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。緩沖梁蓋板優(yōu)化如圖4所示。

(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后

Ⅱ端端部結(jié)構(gòu)因車(chē)鉤尺寸限制，車(chē)鉤安裝孔位于立板外側(cè)，車(chē)體在承受縱向拉伸及壓縮力時(shí)，車(chē)鉤孔區(qū)域會(huì)形成一個(gè)較大的彎矩，導(dǎo)致該區(qū)域應(yīng)力較大。為避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)域，將Ⅱ端牽引梁與立板連接焊縫設(shè)置在離車(chē)鉤安裝孔225 mm的位置，同時(shí)在車(chē)鉤板后側(cè)焊接一個(gè)L型加強(qiáng)板，有效分擔(dān)部分載荷。Ⅱ端端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖5所示。

圖5 Ⅱ端端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2 有限元驗(yàn)證分析

2.1 靜強(qiáng)度分析

采用ANSYS軟件對(duì)優(yōu)化后的車(chē)體靜強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，并采用車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)車(chē)體強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。靜強(qiáng)度驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

在表1所列的幾個(gè)主要靜強(qiáng)度工況，車(chē)體關(guān)鍵區(qū)域測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均未超過(guò)其許用應(yīng)力，且測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合得較好。優(yōu)化后車(chē)體的靜強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 穩(wěn)定性分析

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算分析是考核當(dāng)結(jié)構(gòu)承受一定載荷時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生線彈性屈曲的臨界載荷。對(duì)優(yōu)化后的車(chē)體在AW3與車(chē)鉤座高度1200 kN縱向壓縮合成工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在屈曲工況下，第一階模態(tài)屈曲載荷因子λ大于標(biāo)準(zhǔn)要求的1.5，且為地板結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)，優(yōu)化后的車(chē)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

表1 主要靜強(qiáng)度工況及結(jié)果

表2 車(chē)體車(chē)鉤壓縮工況下屈曲分析結(jié)果

2.3 疲勞分析

采用標(biāo)準(zhǔn)DVS 1608《軌道車(chē)輛制造領(lǐng)域中鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的形狀和強(qiáng)度評(píng)定》規(guī)定的疲勞極限法對(duì)優(yōu)化后的車(chē)體進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的計(jì)算校核。分析結(jié)果表明：優(yōu)化后，車(chē)體的關(guān)鍵焊縫最大的材料利用度為0.557，出現(xiàn)在側(cè)墻門(mén)角與門(mén)立柱的連接焊縫位置。優(yōu)化后車(chē)體的疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖6為側(cè)墻門(mén)立柱與頂蓋邊梁連接焊縫的疲勞強(qiáng)度打點(diǎn)圖，圖7為該位置的材料利用率云圖。

圖6 側(cè)墻門(mén)角與門(mén)立柱連接焊縫疲勞強(qiáng)度打點(diǎn)圖

圖7 側(cè)墻門(mén)角與門(mén)立柱連接焊縫材料利用率云圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高強(qiáng)度B型地鐵車(chē)體各部件進(jìn)行了輕量化分析研究，并實(shí)現(xiàn)了車(chē)體結(jié)構(gòu)減重300 kg左右的輕量化目標(biāo)。采用有限元分析及試驗(yàn)手段，對(duì)優(yōu)化后車(chē)體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，輕量化后的車(chē)體強(qiáng)度、穩(wěn)定性、疲勞性能均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。本文的研究成果為高強(qiáng)度輕量化B型地鐵平臺(tái)的搭建提供了參考。