鋁合金地鐵車體剛度和靜強(qiáng)度仿真及有效性分析

王為輝,袁　磊（天津市地下鐵道運(yùn)營有限公司,天津　300222）

?

鋁合金地鐵車體剛度和靜強(qiáng)度仿真及有效性分析

王為輝,袁磊
（天津市地下鐵道運(yùn)營有限公司,天津300222）

摘 要：隨著城市人口數(shù)量迅速增加，為緩解交通壓力，人們對地鐵車輛的依賴性日益明顯。如此廣泛的應(yīng)用使得鋁合金車體性能的可靠性越來越受社會關(guān)注。然而，重量輕、運(yùn)量大是鋁合金地鐵車體的優(yōu)勢，也是產(chǎn)生車體強(qiáng)度問題、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的主要因素。本文以某鋁合金地鐵作車為研究對象，對車體進(jìn)行剛度、靜強(qiáng)度仿真分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對車體薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使最終設(shè)計(jì)方案滿足車體剛度、靜強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：鋁合金地鐵車體；有限元法；剛度和靜強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1　引言

隨著軌道車輛研發(fā)技術(shù)水平的不斷提高，車體輕量化和高速化的需求，在車體新材料和新工藝方面的研究也越來越多，鋁合金材料以密度小、耐腐蝕、易于擠壓成型和密封性好等優(yōu)點(diǎn)，鋁合金車體也被地鐵車輛越來越廣泛的應(yīng)用[1]。與此同時(shí)，車體的性能指標(biāo)以及設(shè)計(jì)水平也逐漸成為人們關(guān)心的重點(diǎn)。剛度與靜強(qiáng)度是車體性能分析中最基本的內(nèi)容。國內(nèi)外關(guān)于車體剛度和靜強(qiáng)度的研究，主要有仿真分析法和試驗(yàn)分析法，兩者結(jié)合緊密、相輔相成。很數(shù)人利用有限元法，對地鐵、動車組等車體進(jìn)行剛度、靜強(qiáng)度分析[2-3]。

2　車體有限元模型

在創(chuàng)建有限元模型時(shí)，充分考慮到了整車設(shè)計(jì)質(zhì)量的問題，將對車體的整體及局部的剛度、強(qiáng)度有影響的位置都考慮在內(nèi)。利用Hypermesh11.0軟件，車體薄壁部件主要以任意四節(jié)點(diǎn)等參薄殼Shell181單元為主，用梁單元beam188模擬鋼鋁之間的鉚接，設(shè)備質(zhì)量采用質(zhì)量單元mass21來模擬，并通過柔性元rbe3模擬與車體的連接關(guān)系，最終整車有限元模型離散后共有966869個(gè)殼單元（Shell181），1206個(gè)實(shí)體單元（Solid185），節(jié)點(diǎn)總數(shù)為858392。

3　車體剛度和靜強(qiáng)度分析

3.1計(jì)算工況

對車體進(jìn)行有限元計(jì)算的8種工況為：垂向超員載荷工況（AW3剛度工況）、最大垂向超員荷工況（1.3×AW3）、縱向拉伸（960KN）+AW3、縱向壓縮（1200KN）+AW3、二位端部壓縮（150KN）+AW0（上邊梁高度處）、二位端端部壓縮（300KN）+AW0（窗臺高度處）、救援工況（三點(diǎn)支撐）、架車工況（一端吊起）。

3.2車體剛度和靜強(qiáng)度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T7928-2003標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定[4]:在最大垂直載荷作用下的靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn)之間距離的1‰。為此，本文鋁合金地鐵車體兩轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn)之間距離為15700mm，車體中心線底架邊梁的最大垂向位移不超過15.7mm，車體相當(dāng)彎曲剛度不得小于1.80×109N?m2。

根據(jù)該地鐵車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及計(jì)算任務(wù)書的要求，本次評價(jià)車體所有材料的安全系數(shù)均為1.0，即σ≤[σ]。

3.3初始方案剛度和靜強(qiáng)度分析及評價(jià)

（1）剛度分析。在垂向超員載荷工況（AW3剛度工況）作用下，車體中部底架邊梁下翼邊緣的垂向位移為12.4mm，通過對該鋁合金車體剛度工況的有限元分析，可知：在超員載荷（AW3）作用下，車體中心線底架邊梁的垂向位移是12.4mm，小于車體設(shè)計(jì)值15.7mm，車體相當(dāng)彎曲剛度3.69×109N?m2，大于規(guī)定的相當(dāng)彎曲剛度1.80×109N?m2。為此，車體設(shè)計(jì)滿足剛度要求；

（2）靜強(qiáng)度分析。通過對鋁合金地鐵車體進(jìn)行8種工況的靜強(qiáng)度計(jì)算，可知：1）在垂向超員載荷工況（AW3剛度工況）、最大垂向超員荷工況（1.3×AW3）、二位端部壓縮（150KN）+AW0（上邊梁高度處）、二位端端部壓縮（300KN）+AW0（窗臺高度處）、救援工況、架車工況的作用下，車體各部件的應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求；2）在縱向拉伸（960KN）+AW3、縱向壓縮（1200KN）+AW3工況作用下，車體的某些部件應(yīng)力大于許用應(yīng)力，主要發(fā)生在一位端車鉤處、客室門上角處型材、二位端枕梁處地板型材等部位。因此需要對強(qiáng)度不足的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從而使車體各部件滿足強(qiáng)度要求。

3.4改進(jìn)方案及計(jì)算結(jié)果

（1）改進(jìn)方案。通過分析原方案中車體薄弱部位應(yīng)力大的原因，主要是：一位端車鉤處結(jié)構(gòu)縱向載荷不能經(jīng)過牽引梁傳遞到車體后部，而引起車鉤座附近應(yīng)力集中；客室門上角處型材由于板的厚度太薄，而導(dǎo)致了應(yīng)力過大；二位端枕梁處地板型材，由于枕梁與底架邊梁連接處過度不夠平滑而導(dǎo)致了應(yīng)力集中。為此，制定了如下改進(jìn)方案：1）一位端車鉤處增加厚度均為8mm筋板，保證縱向載荷的傳遞；2）客室上門角處型材，進(jìn)行補(bǔ)厚處理，板厚為6mm的板材；3）二位端枕梁，首先在枕梁內(nèi)側(cè)進(jìn)行補(bǔ)厚處理，厚度為6mm的鋁合金板材；然后在枕梁與底架邊梁處焊接一板厚為8mm的過渡筋板，數(shù)量為6個(gè)；最后在枕梁內(nèi)側(cè)增加，蓋板為8mm，立板為12mm。

（2）改進(jìn)方案后計(jì)算結(jié)果。改進(jìn)后，通過對鋁合金地鐵車體剛度、靜強(qiáng)度的有限元分析，得到其8種計(jì)算載荷工況下的計(jì)算結(jié)果，可知：1）在超員載荷（AW3）作用下，車體中心線底架邊梁的垂向位移是12.1mm，小于車體設(shè)計(jì)值15.7mm，車體相當(dāng)彎曲剛度為3.78×109N?m2，大于規(guī)定的相當(dāng)彎曲剛度1.80×109N?m2。為此，車體設(shè)計(jì)滿足剛度要求；2）在8種計(jì)算載荷工況的作用下，車體的薄弱部位和安全裕量較小部位的應(yīng)力都有一定程度的降低，并且車體各部件的應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)論

基于有限元仿真分析方法，本文鋁合金地鐵車體為研究對象，建立精確的仿真模型，并依據(jù)EN12663-2010對車體進(jìn)行8種工況的剛度、靜強(qiáng)度仿真分析，根據(jù)車體剛度和靜強(qiáng)度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行評價(jià)分析。從結(jié)果得知，客室門上角、一位端車鉤、二位端枕梁等處出現(xiàn)應(yīng)力集中，強(qiáng)度不足的問題。為此，對車體薄弱部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，經(jīng)過重新計(jì)算后，車體滿足剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，為車體有限元仿真分析及設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷成,肖守訥.地鐵鋁合金車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析[J].機(jī)車電傳動,2006(01):55-56.

[2]米彩盈.高速動力車車軸強(qiáng)度分析的工程方法[J].鐵道學(xué)報(bào),2002(02),379(09):11-13.

[3]張志華.動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D].北京交通大學(xué),2007.

作者簡介：王為輝（1989-），男，助理工程師，碩士，主要從事地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)等方面的研究，以及車輛CAD/CAE及其關(guān)鍵技術(shù)、焊接殘余應(yīng)力與變形方面的研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.212