铝合金地铁车体静强度和模态分析

聂双双 张寅河

摘 要：以某城轨铝合金地铁为研究对象，根据铝合金地铁车体结构特点，简化该车体几何模型，建立相应的有限元模型。基于车体静强度计算标准，确定9种车体结构静强度的計算工况，在这些计算工况作用下，计算车体结构的静强度。计算在最大垂直载荷作用下车体结构刚度，以及车体结构模态与整备状态下车体结构模态。计算结果表明该铝合金地铁车体结构的刚度、静强度和模态均满足车体结构设计要求。

关键词：铝合金车体；有限元；静强度；模态

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.18.084

0 引言

随着城市的快速发展，地铁作为各大城市的重要交通工具之一，研发水平在不断地提高，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、密封性好和易于挤压成型等优点，越来越广泛地应用于铝合金地铁车体。为确保车辆在工作状态下安全可靠，车体结构必须要有足够的刚度和强度，满足相关的技术标准。目前车体结构的强度计算分析主要采用有限元法，为其结构改进和优化提供依据。

1 车体结构与有限元模型

本文以某城轨铝合金地铁中间车为研究对象，车体采用全长的大型中空铝合金挤压型材组焊成筒型整体承载结构，主体结构由底架、车顶、侧墙和端墙焊接而成。底架采用无中梁结构，主要有牵引梁、枕梁、边梁、横梁和地板组成。车顶由5块3种挤压模块用纵向焊缝拼焊、空调安装平台和受电弓安装平台等组成。侧墙由4种挤压模块用纵向焊缝拼焊和门立柱等组成。端墙由端角柱、门口立柱、墙板、侧顶弯梁和横梁拼焊而成。该铝合金地铁车体的长度、高度和最大宽度分别为22880mm、2725mm和3000mm。

在分析了铝合金车体的结构特点和材料的力学性能的基础上，采用HYPERWORKS有限元软件进行计算。采用SHELL单元离散车体结构，车体模型包括196万个单元和176万个节点。

2 计算工况和评定标准

依据《BS EN12663：2010 铁道应用-轨道车身的结构要求》，确定车体静强度计算工况。此次分析主要包括9个计算工况：（1）计算工况1：空载工况；（2）计算工况2：最大运转载荷工况；（3）计算工况3：空载压缩工况；（4）计算工况4：空载拉伸工况；（5）计算工况5：超员压缩工况；（6）计算工况6：超员拉伸工况；（7）计算工况7：两端抬车工况；（8）计算工况8：一端抬车工况；（9）计算工况9：三点支撑工况。同时计算车体结构模态和整备状态下车体结构模态。

3 计算结果

3.1 刚度计算结果

在计算工况2作用下，车体底架边梁中央断面处垂直挠度为12.2mm。根据GB/T 7928-2003《地铁车辆通用技术条件》规定，在最大垂直载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支承点之间距离的1‰（15.7mm），即车体的挠跨比≤1‰。经计算可知，车体的挠跨比为0.78‰，该车体的刚度满足标准要求。

3.2 静强度计算结果

计算工况1和2主要校核在垂向载荷作用下车体结构的静强度情况，车体结构的vonMises应力分布情况非常相似。由于计算工况2的垂向载荷比计算工况1 的垂向载荷大，所以车体各个部位的vonMises应力值也较大。在计算工况2作用下，侧墙中枕内第一个门发生较大菱形变形，所以最大vonMises应力发生在侧墙中枕内第一个门的门上角，如图1所示。侧墙门上角的vonMises应力值为95.8MPa，该值小于门上角材料的屈服强度115MPa。

计算工况3-6主要校核在垂向和纵向载荷共同作用下车体结构的静强度情况。在计算工况3作用下，车体底架的最大vonMises应力发生在车钩安装座补板，焊缝发生在边梁缓冲梁连接处，如图2所示。这是因为施加载荷通过补板将力传递到牵引梁，边梁缓冲梁断面不同，连接处结构突变。车钩安装座补板的vonMises应力值为305.3MPa，小于补板材料的屈服强度335MPa；边梁缓冲梁连接焊缝的vonMises应力值为106.2MPa，小于焊缝材料的屈服强度115MPa。在计算工况4-6作用下，车体底架的最大vonMises应力同样发生在车钩安装座补板，焊缝的最大vonMises应力同样发生在边梁缓冲梁连接处。计算工况4的vonMises应力值分别为244.9MPa、81.9MPa，如图3所示。计算工况5的vonMises应力值分别304.8MPa、108.1MPa，如图4所示。计算工况6的vonMises应力值分别为245.4MPa、80.1 MPa，如图5所示。以上应力值均小于材料的屈服强度335MPa、115 MPa。

计算工况7-9需要抬起车体结构，在车体处于抬起状态时，车体重量主要由抬车垫板承担，尤其是两端抬车工况和三点支撑工况。因而车体底架的最大vonMises应力发生在抬车区域。如图6-8所示，枕梁边梁焊缝处的最大vonMises应力值为82.0 MPa，小于焊缝材料的屈服强度115MPa。

3.3 模态计算结果

模态分析中没有考虑车体结构的位移约束，表1列出了车体结构的主要固有频率。从表1可以看出整备状态下车体结构的整车一阶弯曲固有频率大于10Hz，符合设计规范要求。

4 结束语

基于HYPERWORKS有限元分析方法，以铝合金地铁车体为研究对象，建立有限元模型，计算在各种工况作用下车体的刚度、静强度和模态，得出该铝合金地铁车体结构的刚度、静强度和模态均满足相关要求，为以后的车体有限元分析和设计提供参考。

参考文献

[1]GB/T 7928-2003 地铁车辆通用技术条件[S].2003.

[2]BS EN 12663：2010铁路应用-铁路车辆车体结构要求[S].2010.

[3]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.

[4]周建乐，王军.地铁车辆铝合金车体的设计[J].城市轨道交通研究，2000，（2）：53-56.