碳鋼地鐵車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：該文介紹某出口項(xiàng)目碳鋼地鐵車體的主要特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，采用有限元分析法對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞分析，探討碳鋼車體設(shè)計(jì)過程中遇到的強(qiáng)度、剛度和疲勞問題及其解決措施。仿真計(jì)算結(jié)果證明，優(yōu)化過后的車體底架拼焊端梁、底架變截面橫梁、焊接司機(jī)室結(jié)構(gòu)能夠滿足工藝性及車體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的要求;優(yōu)化過后的頭車一位端結(jié)構(gòu)、車頂與側(cè)墻的連接設(shè)計(jì)能夠滿足車體疲勞壽命要求。該文的一些設(shè)計(jì)方法和思路，能夠?yàn)楹罄m(xù)碳鋼地鐵車體設(shè)計(jì)提供一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：碳鋼地鐵;車體結(jié)構(gòu);有限元分析;靜強(qiáng)度;剛度;疲勞

中圖分類號(hào)：U271.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）34-0128-04

Keywords： This paper introduces the main characteristics and structural form of a carbon steel subway car body of an export project， uses finite element analysis method to analyze the static strength and fatigue of the car body structure， and discusses the strength， rigidity and fatigue problems encountered in the design process of carbon steel car body and their solutions. The simulation results prove that the optimized tailor-welded end beams of the vehicle body underframe， variable cross-section beams of the chassis， and welded cab structure can meet the requirements of craftsmanship and vehicle body strength standards; the optimized one-position end structure of the front car， roof and side wall connection design can meet the fatigue life requirements of the vehicle body. Some design methods and ideas in this paper can provide certain design experience for subsequent carbon steel subway body design.

Keywords： carbon steel subway; car body structure; finite element analysis; static strength; rigidity; fatigue

地鐵因其載客量大、運(yùn)行速度快、舒適性強(qiáng)、準(zhǔn)時(shí)性高、環(huán)境污染少、能源消耗少和安全性高等優(yōu)點(diǎn)得到不斷發(fā)展壯大，成為緩解城市道路的高效出行方式[1]。作為我國(guó)“一帶一路”倡議下的標(biāo)志性工程，地鐵也是中國(guó)鐵路全產(chǎn)業(yè)鏈“走出去”的代表項(xiàng)目。軌道車輛車體常用材料包括碳鋼、鋁合金和不銹鋼，當(dāng)前地鐵車體材料多采用鋁合金或不銹鋼[2]，材料本身耐蝕性能優(yōu)異，但價(jià)格較高，碳鋼材料應(yīng)用相對(duì)較少。

某出口項(xiàng)目車輛運(yùn)用環(huán)境溫度最低-8 ℃，年降水量小于50 mm，氣候干燥，綜合考慮車體采用碳鋼材料。全車采用模塊化設(shè)計(jì)，車體結(jié)構(gòu)為薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)，分為底架、側(cè)墻、車頂、端墻和司機(jī)室五大部件，各大部件均為板梁拼焊結(jié)構(gòu)，大部件間通過焊接連接[3]。車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1：2010+A1：2014《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛》中P-Ⅲ類的要求[4]，碰撞性能滿足EN 15227：2020《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛的耐撞性要求》中C-Ⅱ類要求[5]。車體長(zhǎng)度21 150 mm（頭車），車體寬度2 600 mm，車體高度3 750 mm（距軌面），車體斷面為梯形斷面。車頂全長(zhǎng)18 150 mm，設(shè)空調(diào)平頂，長(zhǎng)度分別為4 185 mm、5 500 mm，車頂平頂區(qū)域較長(zhǎng);車體側(cè)墻每側(cè)設(shè)4個(gè)側(cè)門、3個(gè)側(cè)窗;底架結(jié)構(gòu)無(wú)中梁。對(duì)車體進(jìn)行有限元分析[6]，發(fā)現(xiàn)了很多鋁合金、不銹鋼車體很少遇到的問題。車體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 拼焊端梁結(jié)構(gòu)

底架端梁安裝于底架前端，與底架側(cè)梁形成整體框架結(jié)構(gòu)。底架端梁用于安裝防爬器，承載防爬器的壓縮載荷。該項(xiàng)目底架端梁為滿足防爬器安裝接口選擇槽鋼，槽鋼材質(zhì)為Q345NQR2，許用應(yīng)力345 MPa，防爬器安裝接口尺寸為220 mm×185 mm。由碰撞計(jì)算得出[7]，為滿足25 km/h碰撞的要求，與車鉤匹配的防爬器力值為800 kN，單個(gè)防爬器對(duì)端梁的壓縮載荷為400 kN。仿真計(jì)算表明，在單個(gè)防爬器壓縮載荷的作用下，端梁防爬器安裝區(qū)域最大應(yīng)力達(dá)到940 MPa，遠(yuǎn)超材料的許用應(yīng)力，如圖2所示。

經(jīng)分析，此處槽鋼壁厚較薄，設(shè)置防爬器安裝孔后，導(dǎo)致防爬器安裝區(qū)域強(qiáng)度不足。初步優(yōu)化方案，是在防爬器安裝區(qū)域背部焊接厚板，補(bǔ)強(qiáng)的同時(shí)也可做螺栓卡座使用，但計(jì)算結(jié)果表明，只針對(duì)安裝點(diǎn)區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)效果不明顯，需對(duì)防爬器安裝區(qū)域整體補(bǔ)強(qiáng)。最終方案端梁采用拼焊結(jié)構(gòu)，在防爬器安裝區(qū)域采用20 mm的Q355ND，其余區(qū)域仍采用槽鋼，與槽鋼翻邊連接區(qū)域?yàn)? mm的結(jié)構(gòu)鋼。經(jīng)過有限元仿真驗(yàn)證，優(yōu)化方案最大應(yīng)力為239 MPa，小于材料許用應(yīng)力355 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。優(yōu)化結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果如圖3所示。

2 變截面底架橫梁結(jié)構(gòu)

底架橫梁對(duì)底架整體承載，提高底架強(qiáng)度、剛度有著至關(guān)重要的作用;同時(shí)，橫梁也是碳鋼底架的設(shè)備吊掛、線槽安裝、管路安裝的主要載體。該項(xiàng)目橫梁材質(zhì)為Q345NQR2，許用應(yīng)力345 MPa，橫梁下翼面到設(shè)備上平面距離最小處僅為200 mm，空間較小，車下線槽排布空間受限，需在橫梁中部區(qū)域開缺口過線槽。考慮到橫梁開缺口后強(qiáng)度、剛度性能下降，以及橫梁成型的工藝性，提出了2種方案：方案一橫梁下翼面分段折彎，在折彎處加補(bǔ)板補(bǔ)強(qiáng)，該種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，但是分段止裂口處易產(chǎn)生應(yīng)力集中;方案二在變截面處采用補(bǔ)強(qiáng)板斜向圓滑過渡，該方案對(duì)冷彎、拼焊工藝要求高，產(chǎn)品尺寸控制難度大，需采用專用工裝，增加成本。優(yōu)化前后橫梁結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通過仿真計(jì)算模擬2種橫梁結(jié)構(gòu)方案在設(shè)備沖擊工況和垂向過載工況下的應(yīng)力響應(yīng)。設(shè)備沖擊工況下，方案一最大應(yīng)力為76 MPa，方案二為51 MPa，最大應(yīng)力位置相同，均小于材料許用應(yīng)力，如圖5所示;垂向過載工況下，方案一最大應(yīng)力為249 MPa，方案二為163 MPa，最大應(yīng)力位置相同，均小于材料許用應(yīng)力，如圖6所示，綜合考量，選擇方案二的橫梁結(jié)構(gòu)。

3 焊接司機(jī)室結(jié)構(gòu)

地鐵司機(jī)室結(jié)構(gòu)多采用鋁型材拼焊骨架加玻璃鋼面罩的混合結(jié)構(gòu)，碳鋼司機(jī)室結(jié)構(gòu)多為板梁焊接結(jié)構(gòu)，司機(jī)室骨架與司機(jī)室蒙皮均為碳鋼材質(zhì)。本項(xiàng)目綜合上述兩種司機(jī)室的設(shè)計(jì)理念，采用碳鋼焊接骨架加玻璃鋼面罩的混合結(jié)構(gòu)。初步方案司機(jī)室骨架采用拼焊結(jié)構(gòu)，分為司機(jī)室主骨架、門框結(jié)構(gòu)、彎梁結(jié)構(gòu)及地板，整體零部件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量重，與車體采用螺栓連接，后期使用維護(hù)項(xiàng)點(diǎn)較多。

優(yōu)化后的司機(jī)室骨架結(jié)構(gòu)，借鑒鋁合金焊接司機(jī)室的理念，整體采用方鋼拼焊，無(wú)彎梁結(jié)構(gòu)及地板，優(yōu)化門柱結(jié)構(gòu)，考慮端部壓縮工況，在相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組焊方便。司機(jī)室結(jié)構(gòu)直接落在底架結(jié)構(gòu)上，與底架端梁、側(cè)梁焊接連接，司機(jī)室與車頂、側(cè)墻均采用焊接連接，后期免維護(hù)。車體仿真分析，司機(jī)室端部壓縮工況顯示，應(yīng)力最大出現(xiàn)在補(bǔ)強(qiáng)板處，為229 MPa，該處材料為Q345NQR2，許用應(yīng)力345 MPa，該司機(jī)室結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，如圖7所示。

4 頭車一位端結(jié)構(gòu)疲勞性能優(yōu)化

頭車一位端與司機(jī)室連接處，為側(cè)墻端部立柱與車頂端部結(jié)構(gòu)拼焊而成的框架結(jié)構(gòu)。原方案?jìng)?cè)墻端部立柱為4 mm厚L型折彎板，車頂端部結(jié)構(gòu)為3 mm的碳鋼拼焊開口型箱體結(jié)構(gòu)，司機(jī)室與端部立柱、車頂端部焊接連接。疲勞計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該種端部結(jié)構(gòu)最低壽命為2.4×105，不滿足要求疲勞壽命大于107的要求，如圖8所示。

經(jīng)分析，端部立柱、車頂端部結(jié)構(gòu)板厚較薄，車頂端部結(jié)構(gòu)為開口型箱體，與司機(jī)室連接處均為單板;并且由于電器柜及司機(jī)室內(nèi)端門安裝的原因，無(wú)法設(shè)置立柱或橫梁，導(dǎo)致該處為開放式框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體剛度不足。為提升疲勞壽命，將側(cè)墻端立柱斷面由L型改為6 mm的方鋼，將薄板拼焊的箱型端部結(jié)構(gòu)，改為板梁拼焊結(jié)構(gòu)，且與側(cè)墻端立柱連接處由薄板折彎件改為6 mm方鋼。優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)最低壽命為2.2×108，疲勞壽命滿足要求，如圖9所示。

5 車頂與側(cè)墻連接疲勞性能優(yōu)化

該項(xiàng)目通過車頂側(cè)頂板與側(cè)墻上邊梁的搭接實(shí)現(xiàn)車頂與側(cè)墻的連接，在垂向加速度為±0.15 g的工況下，第一、四個(gè)側(cè)門立柱上方，彎梁與車頂側(cè)頂板連接處、補(bǔ)強(qiáng)塊與側(cè)墻上邊梁連接處焊縫疲勞壽命分別為1.2×106、6.8×105，均不能滿足標(biāo)準(zhǔn)大于107的要求，如圖10所示。

經(jīng)分析，車頂與側(cè)墻搭接處，僅在側(cè)墻板與側(cè)頂板處、側(cè)頂板與側(cè)墻上邊梁處搭接焊，搭接處截面不連續(xù)，力的傳遞路徑發(fā)生突變，導(dǎo)致無(wú)法有效傳遞垂向載荷，產(chǎn)生應(yīng)力集中。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，將側(cè)墻上邊梁內(nèi)門柱補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)由2.5 mm的補(bǔ)強(qiáng)塊優(yōu)化為3 mm+6 mm+3 mm拼焊補(bǔ)強(qiáng)塊，斷面與側(cè)墻上邊梁截面輪廓一致;在門立柱區(qū)域的車頂彎梁下口增設(shè)U型補(bǔ)強(qiáng)塊，提高該處結(jié)構(gòu)剛度。經(jīng)計(jì)算分析，優(yōu)化過的結(jié)構(gòu)能夠滿足疲勞強(qiáng)度需求，如圖11所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以某出口碳鋼地鐵車體為研究對(duì)象，采用仿真分析方法，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，對(duì)碳鋼地鐵車體在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)問題的工況進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)需求，為后續(xù)碳鋼地鐵的設(shè)計(jì)提供了一定經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

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第一作者簡(jiǎn)介：王小霞（1986-），女，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檐圀w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。