铝合金地铁车体刚度和静强度仿真及有效性分析
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摘 要：随着城市人口数量迅速增加，为缓解交通压力，人们对地铁车辆的依赖性日益明显。如此广泛的应用使得铝合金车体性能的可靠性越来越受社会关注。然而，重量轻、运量大是铝合金地铁车体的优势，也是产生车体强度问题、结构稳定性问题的主要因素。本文以某铝合金地铁作车为研究对象，对车体进行刚度、静强度仿真分析，并根据计算结果对车体薄弱部位进行结构改进，使最终设计方案满足车体刚度、静强度要求。
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.212
1 引言
随着轨道车辆研发技术水平的不断提高，车体轻量化和高速化的需求，在车体新材料和新工艺方面的研究也越来越多，铝合金材料以密度小、耐腐蚀、易于挤压成型和密封性好等优点，铝合金车体也被地铁车辆越来越广泛的应用[1]。与此同时，车体的性能指标以及设计水平也逐渐成为人们关心的重点。刚度与静强度是车体性能分析中最基本的内容。国内外关于车体刚度和静强度的研究，主要有仿真分析法和试验分析法，两者结合紧密、相辅相成。很数人利用有限元法，对地铁、动车组等车体进行刚度、静强度分析[2-3]。
2 车体有限元模型
在创建有限元模型时，充分考虑到了整车设计质量的问题，将对车体的整体及局部的刚度、强度有影响的位置都考虑在内。利用Hypermesh11.0软件，车体薄壁部件主要以任意四节点等参薄壳Shell181单元为主，用梁单元beam188模拟钢铝之间的铆接，设备质量采用质量单元mass21来模拟，并通过柔性元rbe3模拟与车体的连接关系，最终整车有限元模型离散后共有966869个壳单元（Shell181），1206个实体单元（Solid185），节点总数为858392。
3 车体刚度和静强度分析
3.1 计算工况
对车体进行有限元计算的8种工况为：垂向超员载荷工况（AW3刚度工况）、最大垂向超员荷工况（1.3×AW3）、纵向拉伸（960KN）+AW3、纵向压缩（1200KN）+AW3、二位端部压缩（150KN）+AW0（上边梁高度处）、二位端端部压缩（300KN）+AW0（窗台高度处）、救援工况（三点支撑）、架车工况（一端吊起）。
3.2 车体刚度和静强度评价标准
根据GB/T7928-2003标准中规定[4]：在最大垂直载荷作用下的静挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1‰。为此，本文铝合金地铁车体两转向架支撑点之间距离为15700mm，车体中心线底架边梁的最大垂向位移不超过15.7mm，车体相当弯曲刚度不得小于1.80×109N・m2。
根据该地铁车体的结构特点及计算任务书的要求，本次评价车体所有材料的安全系数均为1.0，即σ≤[σ]。
3.3 初始方案刚度和静强度分析及评价
（1）刚度分析。在垂向超员载荷工况（AW3刚度工况）作用下，车体中部底架边梁下翼边缘的垂向位移为12.4mm，通过对该铝合金车体刚度工况的有限元分析，可知：在超员载荷（AW3）作用下，车体中心线底架边梁的垂向位移是12.4mm，小于车体设计值15.7mm，车体相当弯曲刚度3.69×109N・m2，大于规定的相当弯曲刚度1.80×109N・m2。为此，车体设计满足刚度要求；
（2）静强度分析。通过对铝合金地铁车体进行8种工况的静强度计算，可知：1）在垂向超员载荷工况（AW3刚度工况）、最大垂向超员荷工况（1.3×AW3）、二位端部压缩（150KN）+AW0（上边梁高度处）、二位端端部压缩（300KN）+AW0（窗台高度处）、救援工况、架车工况的作用下，车体各部件的应力均小于其许用应力，满足强度设计要求；2）在纵向拉伸（960KN）+AW3、纵向压缩（1200KN）+AW3工况作用下，车体的某些部件应力大于许用应力，主要发生在一位端车钩处、客室门上角处型材、二位端枕梁处地板型材等部位。因此需要对强度不足的部位进行结构改进，从而使车体各部件满足强度要求。
3.4 改进方案及计算结果
（1）改进方案。通过分析原方案中车体薄弱部位应力大的原因，主要是：一位端车钩处结构纵向载荷不能经过牵引梁传递到车体后部，而引起车钩座附近应力集中；客室门上角处型材由于板的厚度太薄，而导致了应力过大；二位端枕梁处地板型材，由于枕梁与底架边梁连接处过度不够平滑而导致了应力集中。为此，制定了如下改进方案：1）一位端车钩处增加厚度均为8mm筋板，保证纵向载荷的传递；2）客室上门角处型材，进行补厚处理，板厚为6mm的板材；3）二位端枕梁，首先在枕梁内侧进行补厚处理，厚度为6mm的铝合金板材；然后在枕梁与底架边梁处焊接一板厚为8mm的过渡筋板，数量为6个；最后在枕梁内侧增加，盖板为8mm，立板为12mm。
（2）改进方案后计算结果。改进后，通过对铝合金地铁车体刚度、静强度的有限元分析，得到其8种计算载荷工况下的计算结果，可知：1）在超员载荷（AW3）作用下，车体中心线底架边梁的垂向位移是12.1mm，小于车体设计值15.7mm，车体相当弯曲刚度为3.78×109N・m2，大于规定的相当弯曲刚度1.80×109N・m2。为此，车体设计满足刚度要求；2）在8种计算载荷工况的作用下，车体的薄弱部位和安全裕量较小部位的应力都有一定程度的降低，并且车体各部件的应力均小于其许用应力，满足静强度设计要求。
4 结论
基于有限元仿真分析方法，本文铝合金地铁车体为研究对象，建立精确的仿真模型，并依据EN12663-2010对车体进行8种工况的刚度、静强度仿真分析，根据车体刚度和静强度的评价标准，进行评价分析。从结果得知，客室门上角、一位端车钩、二位端枕梁等处出现应力集中，强度不足的问题。为此，对车体薄弱部位进行结构改进，经过重新计算后，车体满足刚度和强度设计要求，为车体有限元仿真分析及设计奠定基础。
参考文献：
[1]雷成，肖守讷.地铁铝合金车体的结构设计和强度分析[J].机车电传动，2006（01）：55-56.
[2]米彩盈.高速动力车车轴强度分析的工程方法[J].铁道学报，2002（02），379（09）：11-13.
[3]张志华.动车组铝合金车体结构强度分析[D].北京交通大学，2007.
作者简介：王为辉（1989-），男，助理工程师，硕士，主要从事地铁车辆电气牵引系统等方面的研究，以及车辆CAD/CAE及其关键技术、焊接残余应力与变形方面的研究。