基于ANSYS的A型地铁车体强度分析研究

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摘 要：本文介绍了薄壁鼓形整体承载式铝合金A型地铁车体结构特点，并以A型地铁车体结构为研究对象，运用有限元分析软件ansys进行了力学承载特性分析，得到了车体结构在给定工况下所产生的应力。结果表明该铝合金A型地铁车体的强度符合地铁车辆安全性、可靠性的要求。同时为同类型车体结构的优化改进提供了参考依据。

关键词：A型地铁；车体结构；ANSYS；强度

中图分类号：U270.387 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）10-0061-03

1 引言

随着城市化进程的加快城市人口密度迅速增长，城市出行交通压力巨大。因此，舒适、环保、便捷的城市轨道交通成为各大中型城市公共交通体系的重要组成部分。铝合金A型地铁列车具有车体强度高、载客空间大、舒适性好以及安全可靠性高的特点，在城市轨道交通建设中所占比例大幅提升。

2 铝合金A型地铁车体结构特点

铝合金A型地铁车体采用鼓形整体承载式结构，由大型中空的薄壁铝合金型材组焊而成，主要分为底架、侧墙、车顶、端墙和司机室五大模块，如图1所示。

底架模块由地板、边梁、端梁和牵枕缓等零部件组成，为车体绝大部分电气设备提供安装接口。侧墙模块由一位侧墙和二位侧墙两部分组成，对称分布在车体两侧。车顶模块采用高低顶结构，由平顶、圆顶和车顶边梁等零部件组成，平顶结构可为空调系统提供安装接口。端墙由端墙板、门立柱和梁等零部件组成，可为贯通道提供安装接口。司机室由玻璃钢外罩和司机室骨架等零部件组成，采用流线型设计，安装在头车前端，其端部设有碰撞吸能区，在列车发生碰撞时此区域变形，吸收撞击产生的能量保证乘客的生命安全。

铝合金A型地铁车体采用轻量化设计，有效减轻车体重量的同时具有很好的隔音隔热性能，并且能够承受不同工况下产生的横向、纵向及垂向载荷。

3 铝合金A型地铁车体有限元模型

铝合金A型地铁车体结构主要采用4节点等参薄壳单元模拟主体结构，用质量单元模拟附加结构的质量以及分布位置，并通过RIGID单元或RBE3单元及其相邻的有限元结构连接，在下门角补强部位等结构采用六面体实体单元模型[1]。壳单元的尺寸（长度）在大多数的结构部件中的典型长度约为15-20mm，在细化区域则小一些，长度约为4-6mm。本车体有限元模型单元总数为3843409，节点总数为3260943。车体结构的网格划分如图2所示。

4 车体计算载荷工况

依据EN12663：2010标准[2]和IIW-2008标准[3]，计算了18种载荷工况作用下车体的静强度、刚度以及3种载荷工况作用下车体的疲劳强度，现针对车体静强度进行详细分析计算，载荷工况如表1所示。

5 车体静强度结果分析

各载荷工况计算结果如表2所示。

根据表2的结果可以得出：所有计算工况作用下，车体的最大Von.Mises应力均小于车体部件所用材料的许用应力，符合EN12663：2010《铁路应用-铁路车辆车体的结构要求》标准，满足静强度要求。车体的最大Von.Mises力发生在第7种工况下司机室立柱母材处，应力值为156.765MPa，上下门角补强板区域、牵引梁下盖板区域和司机室立柱母材区域为应力集中高发区域，应力云图如图3所示。

6 结语

（1）通过有限元分析可以有效模拟出车体结构在各种极限工作条件下发生最大应力集中的区域，为车体结构的设计改进提供了理论依据，是提升产品质量、缩短设计周期的有效手段。

（2）本文中铝合金A型地铁车体在各种工况下的应力水平均小于对应结构的许用应力，满足相应标准的要求。

（3）本文的车体强度分析为铝合金A型地铁的结构优化设计提供了依据。

参考文献

[1]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法.北京：清华大学出版社，2000.

[2]EN 12663 ：2010《铁路应用――铁路车辆车体结构要求》.

[3]IIW-2008《RECOMMENDATIONS FOR FATIGUE DESIGN OF WELDED JOINTS AND COMPONENTS》.