某地鐵車輛底架邊梁連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：為解決某地鐵車輛全包式頭罩安裝空間的問(wèn)題，本文將司機(jī)室位置底架邊梁打斷，前端邊梁向車內(nèi)移動(dòng)20mm，中間加入過(guò)渡板，連接前、后底架邊梁。但底架邊梁打斷后存在車體強(qiáng)度下降的風(fēng)險(xiǎn)，因此本文設(shè)計(jì)了3種底架邊梁連接結(jié)構(gòu)，再通過(guò)有限元仿真方法，比較3種結(jié)構(gòu)在典型工況（AW3-1200kN壓縮）下的應(yīng)力分布情況，獲得了一種安全、可靠的底架邊梁連接結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；底架邊梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析

中圖分類號(hào)：U27""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著人們?nèi)粘３鲂行枨蟮娜找嬖黾?，地體車輛以其方便快捷、高效節(jié)能等優(yōu)勢(shì)成為城市交通運(yùn)輸不可或缺的一部分[1]。通常，地鐵車輛前端被玻璃鋼或其他材質(zhì)制成的頭罩覆蓋，頭罩通過(guò)粘接和螺栓固定組成的混合連接方式與車體骨架相連[2]。因此，車體骨架需要為頭罩安裝保留足夠空間。

某地鐵車輛采用全包式頭罩結(jié)構(gòu)，為確保頭罩的安裝空間，將司機(jī)室骨架與側(cè)墻連接位置底架邊梁打斷，并將前端邊梁向內(nèi)移動(dòng)20mm。同時(shí)，為提升車輛的通過(guò)性能[3]，將Tc車I端司機(jī)室門與側(cè)墻連接點(diǎn)前端區(qū)域車體結(jié)構(gòu)整體向內(nèi)收5°。因此，底架邊梁最終采取前端邊梁向內(nèi)收5°、2段邊梁中間采用過(guò)渡板連接的形式。該方法可解決頭罩安裝空間和車輛通過(guò)性能的問(wèn)題，但也會(huì)導(dǎo)致邊梁連接處強(qiáng)度變?nèi)酢Ｒ虼?，本文比較了3種不同邊梁連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，來(lái)選擇一種最可靠的邊梁連接結(jié)構(gòu)。

1邊梁連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)要求，車體主體結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下都不能出現(xiàn)屈服。為減少工況分析數(shù)量，本文對(duì)所有工況進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)邊梁連接處最可能出現(xiàn)屈服的工況為AW3載荷下壓縮1200kN工況。因此，本文的3種不同邊梁連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況分析都在該工況下進(jìn)行。

1.1方案一

方案一的邊梁連接結(jié)構(gòu)和應(yīng)力云分布如圖1所示。圖1（a）為前、后2段邊梁間通過(guò)過(guò)渡板連接的邊梁連接結(jié)構(gòu)。其中，過(guò)渡板采用16mm的6082A-T6型材加工而成。采用有限元仿真分析軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)在AW3、1200kN工況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1（b）所示。從圖1（b）可以看出，該工況下靠近過(guò)渡板底架下表面的焊縫熱影響區(qū)最大應(yīng)力為111MPa，考慮安全系數(shù)1.15，焊縫熱影響區(qū)許用應(yīng)力為100MPa，因此這種邊梁連接結(jié)構(gòu)無(wú)法車體強(qiáng)度要求。

1.2方案二

采用前、后邊梁中間直接用過(guò)渡板對(duì)接的邊梁連接結(jié)構(gòu)，車體存在超出許用應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)圖1（b）的應(yīng)力分布情況，需要在前端邊梁增加補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。方案二的邊梁連接結(jié)構(gòu)和應(yīng)力云分布如圖2所示。圖2（a）為一種底架邊梁連接結(jié)構(gòu)，將前端底架邊梁下面一個(gè)腔體打開(kāi)后，在其內(nèi)部引入“L”形的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。如圖2（b）所示，“L”形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)由底架牽引梁型材加工而成，長(zhǎng)度為240mm，在其距離型材端部50mm位置加工缺口，用于疏解加強(qiáng)結(jié)構(gòu)焊后焊縫的應(yīng)力。同時(shí)，結(jié)合圖1（b）應(yīng)力云分布情況，為避免前端底架邊梁腔體打開(kāi)后“U”形梁與底架前端邊梁焊縫處于較大變形區(qū)域，本文選擇在距離過(guò)渡板350mm處打開(kāi)前端邊梁的下部腔體，最后采用底架邊梁型材加工而成的“U”形梁，將開(kāi)放前端邊梁腔體密封。圖2（c）是方案二邊梁連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云分布圖。從圖2（c）可以看出，焊縫熱影響區(qū)最大應(yīng)力為105MPa，仍超過(guò)許用應(yīng)力100MPa，無(wú)法達(dá)到車體強(qiáng)度要求。

1.3方案三

方案三的邊梁連接結(jié)構(gòu)和應(yīng)力云分布如圖3所示。如圖3（a）所示，本方案采取以板材加工成的“U”形梁代替薄弱區(qū)域母材的方式。根據(jù)圖1（b）的應(yīng)力分布情況，在前端邊梁下部打開(kāi)長(zhǎng)350mm、高28mm的區(qū)域。圖3（b）是前端邊梁剖視圖，對(duì)與邊梁下表面連接的筋板進(jìn)行加工，加工至距離焊縫坡口30mm位置。“U”形梁選用厚度為40mm的6082材質(zhì)鋁板進(jìn)行加工，如圖3（c）所示?！癠”形梁靠近車下位置加工到8mm，其中遠(yuǎn)離過(guò)渡板一端加工到6mm，與前端邊梁型材厚度匹配，并在距離過(guò)渡板250mm位置設(shè)置坡度為1∶12的過(guò)渡區(qū)?！癠”形梁靠近車體外側(cè)面加工到10mm，靠近車體內(nèi)側(cè)面加工到9mm，車內(nèi)、外“U”形梁兩側(cè)加工與底架前端邊梁厚度對(duì)接匹配坡口接頭，將剩余厚度材料加工成自帶焊接墊板的結(jié)構(gòu)。圖3（d）為方案三的應(yīng)力云分布圖，從圖3（d）可以看出，靠近連接板的焊縫熱影響區(qū)最大應(yīng)力為89MPa，前端焊縫熱影響區(qū)最大應(yīng)力為95MPa，均未超過(guò)許用應(yīng)力。

1.4仿真結(jié)構(gòu)分析與討論

本文對(duì)3種底架邊梁連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，并比較了3種方案的應(yīng)力情況、工藝性和成本等指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，方案三是一種切實(shí)可行的邊梁連接結(jié)構(gòu)。

方案一采用的前、后邊梁對(duì)接中間過(guò)渡板連接的邊梁連接結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，具有工藝性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但這種連接結(jié)構(gòu)的焊縫熱影響區(qū)最大應(yīng)力為111MPa，超出材料的許用應(yīng)力，因此方案一的結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足車體強(qiáng)度需求。與方案一相比，方案二采用將前端邊梁下部腔體內(nèi)打開(kāi)，引入型材加工而成的“L”形加強(qiáng)筋的方式。同時(shí)，前端邊梁腔體內(nèi)打開(kāi)后，內(nèi)部的腔體面可與過(guò)渡板進(jìn)行連接，增加了前端邊梁與過(guò)渡板的有效連接面。但引入加強(qiáng)筋帶來(lái)的強(qiáng)化效果僅分布于其接觸區(qū)域，導(dǎo)致前端邊梁腔體中間區(qū)域形成了一個(gè)強(qiáng)化區(qū)，因此，方案二中前端邊梁下表面以上高應(yīng)力分布區(qū)域明顯減少，低應(yīng)力區(qū)域明顯增加，底架邊梁下表面的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象。同時(shí)，方案二焊縫熱影響的最大應(yīng)力為105MPa，比方案一僅降低了6MPa，仍舊超出許用應(yīng)力，沒(méi)有達(dá)到車體強(qiáng)度要求，并且加強(qiáng)筋的引入也增加了車體焊接和裝配時(shí)間，因此方案二不是一種切實(shí)可行的邊梁連接結(jié)構(gòu)。比較2種方案的應(yīng)力分布情況，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)可提升與其直接接觸區(qū)域的強(qiáng)度，因此采用將強(qiáng)化結(jié)構(gòu)直接替代低應(yīng)力區(qū)域母材的方式，可以達(dá)到提升車體強(qiáng)度目的。方案三采用以板材加工而成的“U”形梁代替前端邊梁原有母材的方式。與前端邊梁母材相比，“U”形梁下表面的厚度增加了2mm，內(nèi)側(cè)和外側(cè)厚度均增加了4mm，材料厚度的提升增強(qiáng)了邊梁連接處的剛度。與方案一相比，方案三靠近過(guò)渡板位置的焊縫熱影響區(qū)的最大應(yīng)力為89MPa，降低了23MPa。同時(shí)，由于“U”形梁下表面在遠(yuǎn)離焊縫熱影響區(qū)域以外區(qū)域設(shè)置了過(guò)渡區(qū)，可避免在焊縫區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，并且前端邊梁連接下表面的內(nèi)側(cè)筋板的加工削弱了前端底架邊梁的剛度，因此疏解了遠(yuǎn)離過(guò)渡板的“U”形梁與前端邊梁焊縫周圍的應(yīng)力，最終，遠(yuǎn)離連接板焊縫熱影響區(qū)的最大應(yīng)力為95MPa，比方案二降低了6MPa。方案三中邊梁連接結(jié)構(gòu)的焊縫熱影響區(qū)應(yīng)力均低于100MPa，滿足車體強(qiáng)度要求。同時(shí)，從圖3（d）可以看出，與方案一相比，前端底架邊梁附近低應(yīng)力的區(qū)域分布明顯增大，應(yīng)力的數(shù)值也明顯降低。

因此，方案三是一種切實(shí)可行的邊梁連接結(jié)構(gòu)。

2試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)3個(gè)方案的仿真結(jié)果比較，某地鐵車輛底架采用方案三的底架連接結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證車體強(qiáng)度，在車體強(qiáng)度試驗(yàn)中對(duì)靠近底架邊梁過(guò)渡板的位置進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，應(yīng)變片貼片位置如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該位置的應(yīng)力值為67.82MPa，對(duì)稱位置應(yīng)力為69.25MPa，均滿足車體強(qiáng)度需求。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了3種不同的底架邊梁連接結(jié)構(gòu)，并通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)AW3載荷、1200kN壓縮工況下的3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。將前端邊梁經(jīng)過(guò)渡板與后端邊梁直接連接，前端邊梁下表面焊縫熱影響區(qū)的應(yīng)力為111MPa，超過(guò)材料許用應(yīng)力。將前端邊梁下部腔體打開(kāi)，在腔體內(nèi)加入“L”形加強(qiáng)筋，前端邊梁下表面焊縫熱影響區(qū)的焊縫應(yīng)力為105MPa，仍超過(guò)材料許用應(yīng)力。將板材加工“U”形梁取代前端邊梁下部薄弱區(qū)域，前端邊梁靠近過(guò)渡板下表面焊縫熱影響區(qū)應(yīng)力為89MPa，遠(yuǎn)離過(guò)渡板焊縫熱影響區(qū)的最大應(yīng)力為95MPa，均低于材料許用應(yīng)力。車體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示，方案三的車體兩側(cè)靠近過(guò)渡板焊縫熱影響區(qū)應(yīng)力試驗(yàn)值分別為67.82MPa和69.25MPa，滿足車體強(qiáng)度需求，是一種切實(shí)可行的底架邊梁連接結(jié)構(gòu)。

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