上海国产化A型地铁列车车体结构有限元分析

李 韬， 程 佳， 穆广友

（上海轨道交通设备发展有限公司，上海200233）

近年来国内城镇人口迅速增长、城市规模持续扩大、城市化进程加速带来的交通拥堵和环境问题日益突出。为了解决这些问题，众多大中城市开始大力发展公共交通。城市轨道交通作为城市公共交通系统中最具有影响力的环节，其需求越来越大，要求也越来越高。然而，城市轨道交通车辆的关键技术长期为国外制造商所掌握，国外轨道交通车辆价格高昂和技术垄断成了制约国内城市轨道交通建设可持续发展的重要因素。为此，国内制造商加速技术发展，成功实现了适合中等城市公共交通系统的现代B型地铁列车的国产化，其突出的性价比成功的令其迅速占领了国内市场，继而实现了出口盈利，而适合大型城市和特大型城市公共交通的A型地铁列车则仍然被国外制造商所垄断。2006年国家提出加快振兴制造业的发展要求，其中一项主要任务就是要求掌握新型地铁车辆核心技术，使我国轨道交通装备制造业在较短时间内达到世界先进水平。A型地铁列车的国产化因此提上日程，同时作为上海市重大产业科技攻关项目的国产化A型地铁列车于2009年11月顺利通过10万千米载客运营试验考核，在国内率先实现了A型地铁列车整车系统自主集成，作为车辆关键承载部件的车体结构完全实现了自主研制。

1 车体有限元模型

上海国产化A型地铁列车采用6辆编组型式，最大载客量2 460人，列车长度139.98 m，车辆宽度3 m，列车构造时速90 km／h。其车体结构分为带司机室的拖车（A车）、带受电弓的动车（B车）和不带受电弓的动车（C车）3种型式。车辆研制过程中对其中两种典型车体结构A车与B车进行有限元分析和静强度与模态型式试验，验证车体结构是否满足设计要求。本文仅讲述带受电弓的动车，即B车车体结构的有限元分析。

B车车体采用梯形断面焊接整体承载结构，车体材料选用 EN AW－6005A T6和 EN AW－7005 T6，结构基本参数如表1所述。

表1 车体结构基本参数

用于创建车体结构有限元模型的三维模型完全是建立在车体三维模型的实际中面位置上，以确保后续的有限元分析模型具有足够的精度。建立用于有限元分析三维模型的步骤如下：① 在整车三维模型上确定所有结构和型材的实际断面；② 据整车实际断面建立整车相应结构和型材的中面线框；③据整车所有结构和型材的中面线框和整车三维模型，建立与之对应的整车中面三维模型，如图1所示。

图1 用于创建车体有限元模型的三维模型

基于美国SDRC公司开发的I－DEAS MasterSeries（11.0）软件，模型构成以任意4节点等参薄壳单元为主，与板单元相比，壳单元由于综合考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应，因此具有更高的计算精度。建立车体有限元模型时，采用刚性单元来模拟车体底架与牵枕缓的连接关系，采用位移主—从关系来模拟车体底架与牵枕缓的受力关系。车体静强度分析中，3点支承载荷工况采用整车结构为计算对象，其他计算工况采用1／2车体结构为计算对象；车体的模态和稳定性分析采用整车结构为计算对象。1／2车体结构的有限元模型中单元总数为290 981，结点总数为240 338；整车结构的有限元模型中单元总数为582 232，结点总数为478 563。图2、3分别为牵枕缓和1／2车体结构的有限元网格。

图2 牵枕缓有限元模型

图3 1／2车体有限元模型

2 有限元分析内容

2.1 强度与刚度分析

车体结构强度与刚度有限元分析主要依据欧洲标准BS EN 12663－2000《铁路应用－铁道车辆车体结构要求》，并参考德国交通企业协会标准VDV152《符合德国有轨电车施工和运营条例规定的公共客运轨道车辆的结构要求》、中国铁道行业标准TB／T1335－1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》和国际铁路联盟标准UIC566《客车车体及其零部件的载荷》，要求各工况车体结构应力均不大于材料许用应力[1－4]。表2、3分别列出了车体静强度计算工况A车和B车主要工况车体应力分布，其中压缩载荷与垂向静载荷叠加工况的车体应力分布如图4所示。

表2 静强度计算工况

表3 B车主要工况车体应力汇总 Mpa

图4 压缩载荷与垂向静载荷叠加工况1／2车体范式等效应力云图

许用应力的计算方法如下

式中，σs为材料的屈服强度，S为安全系数。

S＝1.25，单一工况（无焊缝区，S＝1.25；有焊缝区，S＝1.375）；

S＝1.0，组合工况（无焊缝区，S＝1.0；有焊缝区，S＝1.1）。

B车车体垂向静载荷工况底架边梁挠度8.6 mm，地板挠度17.2 mm。门口菱形变形均小于5 mm。B车车体相当弯曲刚度EJc＝1.36×109N·m2，相当扭转刚度GJp＝5.14×108N·m2／rad。

经有限元计算可以得出各载荷工况车体结构的强度和刚度均满足标准要求。

2.2 车体结构模态分析

车体结构模态分析工况为无约束自由模态，分析采用美国航空航天局开发的MSC Nastran（2004）软件系统，可以快速求解大规模特征值问题。车体结构无约束模态分析共取10阶模态，其中前6阶为刚体模态。图5和图6分别为B车车体第8阶和第9阶振型位移云图。表4列出了B车车体结构前7～10阶模态。

图5 B车车体第8阶振型位移云图

图6 B车车体第9阶振型位移云图

表4 B车车体结构前7～10阶模态

上海国产化A型地铁列车动车转向架的自振频率试验数据为6.24 Hz（AW0），通过有限元分析得出的B车车体整备状态自振频率为9.05 Hz。车体整备状态自振频率与动车转向架自振频率差值超过2 Hz，车体整备状态自振频率是动车转向架自振频率的1.45倍，车体自振频率的控制可以避免车体与转向架产生共振。

2.3 稳定性分析

动车车端无防爬装置，因此在进行B车车体屈曲稳定性分析时，仅在一端车钩安装座处施加1 200 KN压力，另一端车钩安装座处施加纵向和横向位移约束，心盘中心处施加垂向位移约束，分析采用MSC Nastran（2004）软件系统。B车车体线性屈曲／失稳分析的第1阶屈曲模态如图7所示。车体第1阶模态屈曲载荷因子为λ＝1.702 4，失稳临界载荷Pcr＝λ×P＝2 043 KN，屈曲载荷因子大于安全系数1.5，失稳部位发生在牵引梁端部车钩座附近的地板上表面处，车体结构受压稳定。

图7 B车车体第1阶屈曲模态

2.4 疲劳强度分析

疲劳寿命预测时，通常由载荷谱加载或实车测试获得动应力。由于缺乏试验数据，无法结合国际焊接学会标准中提供的钢及铝焊接接头S－N曲线数据，对车体关键部位进行疲劳寿命预测；因此，在设计阶段采用相对简单的模拟方法。国内200 Km／h以上高速列车设计规范中，车体疲劳强度评定参考UIC规程，按车体结构在承受运用载荷±20%时得到的两个静应力作为动应力的峰谷值进行疲劳强度考核。通常车体的运用载荷采用AW2载荷，鉴于国内外轨道交通车辆运营状况的区别，疲劳强度分析车体的运用载荷采用AW3载荷，并参照国外的铝镁硅系列铝合金材料疲劳性能试验数据进行评估。表5、6分别列出了车体结构主要焊接部位和非焊接部位的计算应力幅及许用应力幅（107周次）。

表5 车体结构主要焊接部位计算应力幅及许用应力幅（107周次）

表6 车体结构非焊接部位计算应力幅及许用应力幅（107周次）

分析表明所有最大应力幅均小于许用最大应力幅，因而当车体材料机械性能与焊接质量得到保证时，车体结构设计能够满足疲劳强度设计要求。

2.5 耐撞性分析

上海国产化A型地铁列车在A车车体前端即列车两端设置有缓冲区，用以吸收列车发生碰撞时钩缓装置完全作用而未能吸收的冲击能量，要求碰撞时车体变形限制在此区域，其他部位不产生永久性变形，保证前端结构容易维修更换，具有合理的碰撞压塌失效顺序及减速度值，从而最大限度地保证司乘人员的人身安全。列车中部车辆的连接装置不设剪切装置，过载时连接装置不剪断，车体结构不接触，从而保持列车的完整性；因此，大变形碰撞分析仅针对A车车体承载结构，并参考欧洲标准DIN EN 15227—2008《铁路车辆车体的防撞性要求》单独对其进行评价。因本文篇幅有限不做详解，仅介绍其计算结果。大变形碰撞分析采用美国ANSYS公司开发的 ANSYS／LS－DYNA 软件，碰撞条件设定为其车体以50 km／h的初速度撞击固定平面刚性墙体，计算时间为50 ms。分析显示当碰撞速度为50 km／h时，车体端部在t＝50 ms时的吸能总量为440 kJ，此时车体塑性大变形仅发生在车体端部的非乘客区，弹性小变形发生在车体的乘客区，变形过程稳定，没有产生失稳。

3 结 语

上海国产化A型地铁列车车体结构有限元分析结果表明：该车体结构的强度、刚度、模态、稳定性、疲劳强度及耐撞性均满足设计标准要求，可以作为详细设计的依据和产业化车辆设计的技术储备。有限元分析结果同时表明，车体的强度和刚度有一定余量，经过车体静强度试验和模态试验验证后应进行对比分析，在车辆产业化设计时对车体结构进行优化，从而使结构布局与材料选择更具有针对性，设计更科学合理。

[1] 欧洲标准化委员会.BS EN 12663－2000铁路应用－铁道车辆车体结构要求[S].布鲁塞尔：欧洲标准化委员会，2000.

[2] Helmut Bugarcic，Leo Geers，Erich Meyer－Plate.VDV152符合德国有轨电车施工和运营条例规定的公共客运轨道车辆的结构要求[S].汉若威：德国交通企业协会，1992.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB／T1335－1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].北京：中华人民共和国铁道部，1996.

[4] 国际铁路联盟.UIC566客车车体及其零部件的载荷[S].巴黎：国际铁路联盟，1990.