基于Eurocode3方法的不锈钢地铁车体疲劳强度评估
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摘要：为了确保地铁车辆的长期安全可靠运行，采用EN12663-1：2010标准对某不锈钢地铁车辆车体结构进行了疲劳强度仿真计算，并采用Eurocode 3方法对焊缝进行了评估，分析计算结果表明该车体结构满足2×106循环周次疲劳寿命的要求。
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/ki.16723198.2017.13.086
某地铁车辆车体结构主要材料为高强度的奥氏体不锈钢。不锈钢车体结构具有耐腐蚀、免油漆、耐高温、结构轻量化、机械性能高、维护成本低等优点，受到业主的广泛欢迎，成为地铁行业中的主力车型。然而，当不锈钢材料进行弧焊焊接时会产生较大的焊接变形，为解决这一问题，不锈钢车体结构通常采用电阻点焊的方式进行不同部件的连接。
1车体结构与有限元模型
该不锈钢车体采用由底架、侧墙、端墙、车顶、司C室等构成的薄壁筒型整体承载结构，除底架牵引梁、枕梁和内边梁部位采用碳钢材料外，其它部位均使用奥氏体不锈钢材料。车顶由波纹顶板、弯梁等组成。侧墙由侧墙板、侧墙立柱、上边梁等组成。端墙由门立柱、门横梁、端墙板、端角立柱等组成。底架由边梁、横梁、牵引梁、枕梁、缓冲梁等组成。该地铁长度20000mm，最大宽度2890mm。
该不锈钢车体主要为板梁结构，因此采用壳单元离散主结构。该车体的有限元模型主要采用四节点四边形单元quad4，部分采用三节点三角形单元tria3，焊点采用一维cweld单元。通过rigid刚性单元将主要设备载荷加载在设备吊挂点。网格平均尺寸为15-20mm，整个有限元模型共有2408250个单元，2451150个节点，其中点焊单元有9814个。
2计算工况和评定标准
依据《BS EN 12663-1：2010 Railway applications-Structure requirements of railway vehicle bodies》的规定，车体疲劳计算应在定员载荷条件下，具体的疲劳工况如表1所示。
3计算结果
根据疲劳强度计算结果选取如下危险点进行详细分析。依据《BS EN 1993-1-9：2005 Eurocode 3： Desgin of steel structures-Part 1-9：Fatigue》（以下简称Eurocode 3）对焊缝应力进行评估。
3.1门下角与门立柱焊缝
根据Eurocode 3，各疲劳工况下门下角与门立柱焊缝属于表8.5中的56类，其疲劳极限为56MPa。计算结果如表2所示。该焊缝在垂向疲劳工况时疲劳应力绝对值最大，小于疲劳极限56MPa。应力云图见图1-图2。
3.2门下角与底架边梁焊缝
根据Eurocode 3，各疲劳工况下门下角与门立柱焊缝属于表8.5中的56类，其疲劳极限为56MPa。计算结果如表3所示。该焊缝在垂向疲劳工况时疲劳应力绝对值最大，小于疲劳极限56MPa。应力云图见图1-图2。
3.3一位端端弯梁焊缝
根据Eurocode 3，各疲劳工况下一位端端弯梁焊缝属于表8.5中的36类，其疲劳极限为36MPa。计算结果如表4所示。该焊缝在横向疲劳工况时疲劳应力绝对值最大，小于疲劳极限36MPa。应力云图见图3、图4。
3.4枕梁腹板与下盖板焊缝
根据Eurocode 3，各疲劳工况下枕梁腹板与下盖板焊缝属于表8.5中的80类，其疲劳极限为80MPa。计算结果如表5所示。该焊缝在纵向疲劳（中心销）工况时疲劳应力绝对值最大，小于疲劳极限80MPa。应力云图见图5、图6。
3.5枕梁腹板与筋板焊缝
根据Eurocode 3，各疲劳工况下枕梁腹板与下盖板焊缝属于表8.5中的80类，其疲劳极限为80MPa。计算结果如表6所示。该焊缝在纵向疲劳（中心销）工况时疲劳应力绝对值最大，小于疲劳极限80MPa。应力云图见图5、图6。
4结论
利用有限元方法求解各疲劳工况下不锈钢地铁车体结构的疲劳强度，几处危险焊缝的疲劳应力均小于其对应的疲劳极限，因此该车体结构满足2×106循环周次疲劳寿命的要求。
参考文献
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