基于有限元法的地铁车体结构性能分析

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摘 要：在分析某地铁TC车体结构特点基础上，建立了该车体钢结构的有限元模型，同时介绍了关于地铁车辆车体结构分析时所涉及的几种典型的工况，以及边界条件的施加。利用有限元分析软件ANSYS对该铝合金车体进行刚度、静强度进行了分析，结果表明该地铁TC车车体结构强度及刚度满足要求。

关建词：地铁；车体；强度分析；有限元

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.217

0 引言

目前，我国城市轨道交通现已进入快速发展阶段，许多城市的地铁也在紧锣密鼓地修建之中。地铁的舒适、快捷和便利，成为人们出行的重要交通工具，地铁也就成为了许多城市交通的重要组成部分。然而地铁车辆车体结构的安全性是保证正常运营的前提。为了保证地铁车辆的结构设计合理、性能可靠和使用安全，需对车体进行结构进行校核。随着科技的进步发展，通过有限元分析法对车体的强度刚度计算分析已经成为校核车体结构是否满足标准的一种有效的手段。

1 车体简介

某地铁TC车车体为轻型铝合金全焊接的整体承载结构，由车顶、侧墙、底架、端墙和司机室等几大部件焊接组成。车顶主体结构由7块（4种）型材组焊而成，车顶设置空调机组平台，机组平台也是由7块（4种）型材组焊而成。侧墙主要结构由3种不同铝型材组焊而成；侧墙型材焊接采用插接及搭接接口；每个侧墙设4个门口，门口两侧为立柱，立柱由型材加工而成；在单扇侧墙上有窗口开口。端墙为型材与加强梁组焊结构。底架由铝地板、边梁、端梁、枕梁和缓冲梁组成。铝地板由7块（3种）型材通过插接接口组焊而成，铝地板与底架边梁通过搭接接口组焊。枕梁为焊接而成的箱型结构，枕梁下盖板形状及零部件的设置满足与转向架接口要求。缓冲梁为焊接而成的箱型结构，上盖板为10mm铝板，下盖板为16mm的铝板，牵引梁为15mm的铝板。车钩安装座为35mm的铝型材。

2 有限元模型的建立及计算结果分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS对该TC车铝合金车体进行刚度、静强度、疲劳强度和模态分析。建立车体有限元模型时，凡是对该车整体刚度及局部强度有贡献的结构，都予以考虑。为了计算的准确性，模型构成以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅。

2.2 载荷及约束条件

车体静强度计算的载荷工况有多种，分别为AW0刚度工况、AW3刚度工况、1.3AW3、AW0 + 纵向拉伸工况、AW0 +纵向压缩工况、AW3 + 纵向拉伸工况、AW3 +纵向压缩工况、架车工况、一位端复轨工况、二位端复轨工况等。载荷施加的方法是以重力加速度的形式施加，设备质量施加于设备悬挂处，其余重量均布地板上；纵向载荷作用于一端车钩座处，纵向载荷分别为拉伸工况下640KN和压缩工况下800KN；架车工况及复轨工况下两端转向架重量分别施加于悬挂处，载荷数值为1.1g×（AW0+2×转向架重量）。有限元模型的约束条件根据不同工况下车体实际情况而设定。

2.3 评定标准

（1）按照设计任务要求，车体在垂向超员（AW3）载荷工况作用下，车体底架边梁静挠度不应超过12.6mm。

（2）在所有计算工况作用下，车体各部件的Von. Mises应力均不得大于部件所用材料的许用应力：① 牵引梁组成、枕梁立筋、车钩座部件材料的许用应力≤350MPa；② 司机室骨架、地板、底架边梁、底架端梁、枕梁及其上下盖板、侧墙板、端墙板、补强梁、顶板等部件的许用应力根据厚度变化的不同其范围为215～250MPa。

2.4 刚度和静强度结果分析

（1）刚度结果分析。AW3计算载荷工况下，车体中部边梁下翼缘的最大垂向位移为10.595mm。1.3AW3计算载荷工况作用下，车体中部边梁下翼缘的最大垂向位移为13.774mm。车体下边梁的垂向位移云图如图1所示，可知车体在垂向超员载荷工况作用下的车体底架边梁静挠度均未超过12.6mm标准值，该车车体刚度满足要求。

（2）强度结果分析。各计算工况作用下，车体的最大应力情况如下：计算工况AW0刚度工况、AW3刚度工况和1.3AW3工况下的最大Von. Mises应力分别为43MPa、83MPa和108MPa，均发生在空簧施加位移边界条件处；AW0 + 纵向拉伸工况、AW3 + 纵向拉伸工况、AW0 + 纵向压缩工况和AW3 + 纵向压缩工况下的最大Von. Mises应力分别为266MPa、265MPa、239MPa、239MPa发生在车钩座施加边界条件处。部分工况下车体的Von. Mises应力云图如图1所示。各工况下的Von. Mises应力均未超过材料的许用应力，车体强度满足要求。

3 结论

本文分析了几种种组合工况下车体的受力，根据计算结果表明其强度与刚度均符合要求。车体的应力分布比较均匀，高应力基本集中在底架以及前门角，这与车体的结构及承载方式有关，车体结构设计合理。另外，有限元分析法在车体结构分析中应用能够缩短设计周期，减少成本，并对车体结构改进提供科学依据。

参考文献：

[1]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]严隽耄.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2004.

[3]曾祥坤，赵俊杰.基于ANSYS的青藏客车车体强度分析[J].铁道机车车辆，2006.

作者简介： 袁磊（1988-），男，初级工程师，主要从事：地铁车辆检修工作。