鋁合金A型地鐵輕量化車體結(jié)構(gòu)與有限元建模

耿 烽，左言言，李樹棟

GENG Feng1,2, ZUO Yan-yan1, LI Shu-dong3

（1.江蘇大學(xué) 振動噪聲研究所，鎮(zhèn)江 212013；2.南京工程學(xué)院 車輛工程系，南京 211167；3.南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司 技術(shù)部，南京 210031）

0 引言

地鐵車輛車體輕量化是車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方面，采用新型材料是實現(xiàn)車體輕量化的主要途徑之一。鋁合金材料具有重量輕、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，已成為生產(chǎn)地鐵車輛車體的主要材料。但車體結(jié)構(gòu)在滿足輕量化要求的同時還要滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的要求，以確保車體的安全性和可靠性。為此必須對車體強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析校核以驗證是否滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。利用有限單元法進(jìn)行數(shù)值分析則是常用的手段。鋁合金車體多以大型中空擠壓鋁型材為主導(dǎo)材料,通過鉚焊結(jié)合模塊化制造，完全不同于鋼材為主導(dǎo)材料的地鐵車輛制造工藝[1]。故合理簡化車體結(jié)構(gòu)幾何模型，建立符合車體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的有限元模型，成為準(zhǔn)確分析車體靜動態(tài)特性的關(guān)鍵。

本文以國內(nèi)某鋁合金A型地鐵車輛不帶受電弓動車車體為例，詳細(xì)介紹了該地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)特點，合理簡化其幾何模型，建立符合力學(xué)特性的有限元模型，并進(jìn)行了靜力學(xué)和模態(tài)分析，驗證了車體結(jié)構(gòu)簡化合理性和有限元模型正確性。

1 鋁合金A型地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)特點

A型地鐵車輛主要技術(shù)規(guī)格見文獻(xiàn)[2]。車型分為帶有司機(jī)室的拖車、帶有受電弓的動車和不帶受電弓的動車三種車型。本文研究對象為不帶受電弓的A型地鐵車輛動車。該車車體由一個底架、一個車頂、兩個側(cè)墻和兩個端墻共六個模塊組成整體承載結(jié)構(gòu)。每個模塊由不同規(guī)格的大型中空擠壓鋁型材鉚焊聯(lián)接成型，然后以鉚接工藝組裝成車體[3]。

底架主要包括地板和底架邊梁、以及牽引梁和枕梁。地板和底架邊梁均為大型中空擠壓鋁型材，牽引梁和枕梁則為鑄鋼件。地板由5塊與車體等長的大型中空擠壓鋁型材焊接而成，端部由鋁型材焊接封閉。如圖1所示，地板型材采用鉚接法裝配在2個底架邊梁上。牽引梁和枕梁鉚接裝配在底架邊梁的側(cè)面。最終形成車體底架結(jié)構(gòu)。

圖1 地板型材和底架邊梁鉚接示意圖

側(cè)墻包括2個與底架邊梁長度相同、截面如圖2所示的上側(cè)梁和下側(cè)梁，以及8個寬柱和4個窄柱，各部件均為中空擠壓鋁型材。位于車體中部的寬柱和位于車體端部的窄柱分別與上側(cè)梁和下側(cè)梁焊接，將這兩個型材連接起來，組成車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)。側(cè)墻的下部被外面板覆蓋。外面板由鋁型材制成，分為長度不同的兩種規(guī)格，共計6塊，分別鉚接在寬柱、窄柱和下側(cè)梁上，留出車門和車窗的位置。

圖2 側(cè)墻型材結(jié)構(gòu)圖

車頂是車頂設(shè)備的安裝基礎(chǔ)。不帶受電弓的動車車頂設(shè)備只有兩臺空調(diào)機(jī)組，安放在車頂兩端。車頂由不同規(guī)格大型中空擠壓鋁型材焊接而成，兩端留出空調(diào)機(jī)組的安裝位置。車頂型材包括2個車頂邊梁，2個車頂側(cè)板，2個車頂中間板，1個車頂中央板。車頂型材通過焊接連接成車頂結(jié)構(gòu)。

端墻為鋁型材和鋁板制成的焊接組件構(gòu)成，用來封閉車體兩端和支承不同車體之間的貫通道以及安裝風(fēng)擋。

整車采用鉚接法，將底架、一二位側(cè)墻、車頂、一二端墻裝配構(gòu)成車體結(jié)構(gòu)。裝配順序是先將側(cè)墻下側(cè)梁鉚接裝配在底架邊梁上，然后將車頂邊梁鉚接裝配在在側(cè)墻上側(cè)梁，最后將端墻鉚接裝配在底架和側(cè)墻窄柱上形成圖3所示車體結(jié)構(gòu)。

圖3 車體結(jié)構(gòu)圖

2 鋁合金A型地鐵車體有限元模型

構(gòu)成車體結(jié)構(gòu)的零件均為大型中空擠壓鋁型材，壁厚在2.5～6mm之間，屬于空間薄殼類零件，特選用符合薄殼類零件的力學(xué)特性的shell63單元模擬鋁型材結(jié)構(gòu)。建模時只考慮車體白車身結(jié)構(gòu)，省略空調(diào)坑、門窗等結(jié)構(gòu)，忽略倒圓、倒角、焊接坡口、凹凸槽等影響有限元網(wǎng)格正常劃分的幾何特征。具體步驟是刪除各單件實體模型的實體和面以及部分線，僅留下模型截面，然后提取截面中線后沿長度方向拉伸即可得到殼單元模型，結(jié)構(gòu)實際厚度在劃分單元時賦予不同的實常數(shù)[4]。

車體結(jié)構(gòu)各部分均為焊接、鉚接及鉚焊結(jié)合連接方式，采用單層板模擬連接方式，可使結(jié)構(gòu)相對簡化，提高建模效率[5]。模擬時各個單件鋁型材之間連接必須使每個面相交于公共線，才能確保整個車體結(jié)構(gòu)的整體性。

建模時盡量控制單元形狀質(zhì)量，以提高模擬精度，得到較為理想的計算結(jié)果。最終整車有限元模型包括113232個節(jié)點，146988個shell63單元。圖4為簡化后整車幾何模型以及有限元模型。

圖4 車體簡化幾何模型和有限元模型

3 地鐵車體靜力學(xué)分析和模態(tài)分析

為了驗證車體結(jié)構(gòu)簡化的合理性和有限元模型的正確性，參照GB/T7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》分別計算垂直過載載荷和車端壓縮載荷兩種工況下車體的變形和應(yīng)力情況，以及車體整備狀態(tài)和垂直過載載荷車體的自由模態(tài)。

計算單位為：長度mm；質(zhì)量t；力N；密度t/mm3；楊氏彈性模量MPa；應(yīng)力MPa。車體材料主要采用6000系列鋁合金材料中較常用的A6N01ST5中空擠壓鋁型材，材料機(jī)械特性分別為，密度2.7×10-9t/mm3，楊氏彈性模量6.9×104MPa，波松比0.34，屈服極限為205MPa，疲勞強(qiáng)度78MPa。對于材料許用應(yīng)力，文獻(xiàn)[2]規(guī)定使用的許用應(yīng)力應(yīng)取自用戶與制造商均認(rèn)可的國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)。鑒于本文研究地鐵車輛使用歐洲技術(shù)，歐洲規(guī)范EN12663中確定的許用應(yīng)力安全系數(shù)為1.15，材料許用應(yīng)力為178.26MPa。

3.1 靜力學(xué)分析

1）垂直過載載荷計算工況：垂直載荷包括車體重量（含設(shè)備集中載荷）和旅客重量，并考慮車輛運行過程中振動影響，增加10%的載荷裕量。旅客數(shù)為超常過載旅客數(shù)，文獻(xiàn)[2]規(guī)定該工況下為8人/m2，每位旅客按60kg計算。電抗器、牽引逆變器、制動電阻、制動模塊、輔助逆變器等底架設(shè)備和空調(diào)機(jī)組車頂設(shè)備以質(zhì)量單元mass21加在相應(yīng)位置，車體重量（不含設(shè)備集中載荷）和旅客重量均布在底架上。在4個二系懸掛支撐位置施加約束條件。圖5為該工況下的車體結(jié)構(gòu)變形圖。結(jié)果顯示車體相對于轉(zhuǎn)向架支撐點的最大撓度為14.311mm。文獻(xiàn)[2]規(guī)定在最大垂直載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離的1‰，A型地鐵車輛兩轉(zhuǎn)向架支撐點距離為15700mm，其1‰為15.7 mm，符合要求。

圖5 垂直過載載荷工況下的車體結(jié)構(gòu)變形圖

圖6 車端壓縮載荷工況下的車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2）車端壓縮載荷計算工況：車端壓縮載荷包括車體重量和800KN的車端壓縮載荷。車體重量均布在車體底架地板上，而車端壓縮載荷作用在車體一端。在4個二系懸掛支撐位置施加約束條件，在非加載端施加約束條件。圖6為該工況下的車體Von Mises等效應(yīng)力圖。結(jié)果顯示車體最大應(yīng)力171.98 MPa，小于材料的許用應(yīng)力178MPa。

3.2 模態(tài)分析

車體結(jié)構(gòu)模態(tài)是評價車體動力學(xué)特性的一個重要參數(shù)。通過分析車體結(jié)構(gòu)模態(tài)，可以評定車體的動態(tài)特性是否符合設(shè)計要求。分別計算車體進(jìn)行安裝設(shè)備后無乘客時的整備狀態(tài)和垂直過載載荷工況下的模態(tài)，以考核車體固有的動態(tài)特性。由于模態(tài)分析時加載均被忽略，故所需載荷采用質(zhì)量單元mass21施加在相應(yīng)位置。圖7顯示整備狀態(tài)工況下車體的自由一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和一階彎曲模態(tài)振型。表1為整備狀態(tài)和垂直過載載荷下的一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲自振頻率。

圖7 整備狀態(tài)工況下車體結(jié)構(gòu)的一階自由模態(tài)

表1 車體自振頻率（Hz）

從兩種工況下的結(jié)果看來，當(dāng)車體在垂直過載工況時，由于整體重量的增加，導(dǎo)致車體的模態(tài)頻率降低。盡管我國對地鐵車體自振頻率沒有具體要求，參照干線車輛車體動態(tài)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，要求整備狀態(tài)下車體一階彎曲振型固有頻率應(yīng)高于10Hz，以避免與車輛振動頻率接近或一致，引起共振現(xiàn)象發(fā)生[5]。比較計算結(jié)果，該車體的一階彎曲模態(tài)固有頻率11.083Hz，達(dá)到車體動態(tài)設(shè)計要求。

4 結(jié)論

鋁合金地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)是大型中空鋁型材鉚焊結(jié)合的整體承載結(jié)構(gòu)。仔細(xì)分析其結(jié)構(gòu)特點，合理簡化幾何模型，選用形狀質(zhì)量高，尺寸控制合理的殼單元模擬車體結(jié)構(gòu)，采用有效的零部件連接模擬方式，可以比較準(zhǔn)確建立符合車體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的車體有限元模型，為車體結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)分析，以及其他動力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)行不同工況下的車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)分析，結(jié)果均符合規(guī)范要求，檢驗了所建的模型的合理性。

[1] 海邦君.鋁合金車體設(shè)計研究[J].鐵道車輛,2003,41(10)：26-28.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T7928—2003地鐵車輛通用技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[3] 陳后友,陳軍蘭.電力機(jī)車與城軌車輛[J].2007,30(2)：44-46.

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[5] 孫慶鴻,楊莉,吳明,張丙軍.輕型客車白車身動力學(xué)建模與模型修正研究[J].江蘇大學(xué)學(xué)報,2005,26(60)：472-475.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB/T1335—1996鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,1997.