上海轨道交通15号线车体结构有限元分析与试验

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 车体结构

上海轨道交通15号线采用全自动驾驶车辆,有Tc、Mp、M三种基本类型车辆,列车编组形式为-Tc*Mp*M=M*Mp*Tc-,其中,-Tc*Mp*M=构成可动单元车组,Tc为带司机室的拖车,Mp为带受电弓的动车,M为不带受电弓的动车。

上海轨道交通15号线为A型铝合金车体,车体结构采用模块化、轻量化、底架无中梁整体承载结构,能够承受自重和载重垂直载荷、牵引制动纵向载荷,以及运行检修中产生的斜对称载荷[1-3]。车体材料主要选用大型中空挤压铝型材,车体使用寿命不短于30 a。设计过程中,利用有限元方法对车体结构进行静强度、疲劳强度、刚度及稳定性分析,并进行相关优化[4-5]。

上海轨道交通15号线车体采用整体承载全焊接结构,大型型材通过机械加工下料焊接为底架、侧墙、端墙、车顶四大部件,四大部件在车体总装台位焊接为车体。

车体结构设计时,为了使Mp车、M车车体结构件具有通用性,且Tc车车体可以借用Mp车、M车车体结构件,笔者以Mp车车体为例进行研究。车体断面如图1所示,三维模型如图2所示,主要技术参数见表1。

图1 车体断面

图2 车体三维模型

表1 车体主要技术参数 mm

车体底架为全铝合金结构,由边梁、铝地板、枕梁、牵引梁、端梁等组成,如图3所示。铝地板由大断面中空铝合金型材焊接而成,与底架边梁、端梁采用弧焊连续焊接而成。底架通过边梁型材与侧墙型材插口焊接,同时通过端梁型材与端墙型材插口焊接。枕梁具有车体与转向架的接口结构,为车辆的重要承载部件。牵引梁具有车钩安装接口结构,枕梁和牵引梁与边梁连接,通过边梁传递载荷。

图3 车体底架结构

车体侧墙由侧墙板、端立柱、侧门门口立柱焊接而成。侧墙板由大断面挤压铝型材焊接而成,侧门门口立柱采用中空挤压铝型材。

侧墙通过最上部型材与车顶边梁型材插口焊接,通过最下部型材与底架边梁型材插口焊接,端部与端墙型材对接焊接。窗口四周铆接补强梁。

车体车顶由边梁、顶板、机组平台、受电弓平台焊接而成,通过边梁型材与侧墙型材插口焊接,端部与端墙型材对接焊接。车体车顶结构如图4所示。

图4 车体车顶结构

车体端墙采用型材结构,端墙型材分别与侧墙型材端部、车顶型材端部、底架端梁型材插口焊接。

2 有限元分析

为了满足车辆轻量化要求,车体结构在设计过程中采取了一系列减重措施,对此从计算力学角度对车体的静强度、疲劳强度及刚度进行计算分析,验证结构的合理性,并在此基础上进行优化设计[6-8]。

2.1 静强度

参考标准为EN 12663-1:2010标准[9],车体采用Hypermesh软件进行有限元建模,采用ANSYS软件进行仿真分析求解,采用Hyperview软件进行分析结果的后处理。车体有限元软件模型如图5所示。

图5 车体有限元模型

车体静强度分析时共计算20种工况,其中部分关键工况的计算结果如表2及图6～图11所示。

表2 车体关键工况计算结果

图6 车钩座应力云图

由有限元静强度计算结果可以看出,各工况下的计算应力均小于所采用材质的许用应力,满足EN 12663-1:2010标准的要求。

图7 窗角应力云图

图8 车钩座螺栓处应力云图

图9 腰身立柱应力云图

2.2 疲劳强度

焊接结构的疲劳强度采用IIW-2008《焊接接头与部件疲劳设计指南》中的铝型材焊接疲劳强度寿命曲线进行评估,焊接等级参照IIW-2008进行取值,焊接等级许用应力对照IIW-2008中数值,应力范围小于许用应力范围的评估点累计损伤比不得大于1。

图10 架车座应力云图

车体疲劳强度共计算四种工况,分别为牵引制动工况、横向振动工况、垂向振动工况、乘客上下车工况。各工况下的车体应力见表3,车体损伤比见表4。

图11 牵引梁下盖板应力云图

表3 车体应力

表4 车体损伤比

经过分析计算,基于IIW-2008,在垂向振动、横向振动、牵引制动、乘客上下车四个疲劳载荷工况下,母材与焊缝的累计损伤比最大为0.798,小于1,确认车体疲劳强度满足要求。

2.3 刚度

分别计算空载与超载工况下车体底架边梁的垂向最大位移量,以此校核车体结构是否满足要求。车体底架边梁位移云图如图12所示。

由图12可见,在空载工况下,底架边梁中部垂向静挠度为4.61 mm;在超载工况下,底架边梁中部垂向静挠度为9.977 mm,均满足规定的限值,车体刚度满足要求。

图12 底架边梁位移云图

3 静强度试验

车体静强度试验是验证车体结构设计及选材的关键环节,也是验证计算结果的有力依据。按照工况要求,分别对上海轨道交通15号线Tc车、Mp车车体进行试验。试验结果表明,车体各母材和焊接部位的应力值均小于材料的许用应力,满足EN 12663-1:2010标准及技术规格中关于强度的要求。车体静强度试验现场如图13所示。

4 结束语

在传统A型车平台的基础上,对上海轨道交通15号线车体结构各模块部件进行了优化,设计后相较传统A型车车体,单节车质量减轻近300 kg,很好地实现了车体的轻量化[10]。通过有限元分析计算及静强度试验,证明上海轨道交通15号线车体结构在强度、刚度、疲劳性能等方面均满足标准和合同要求,为后续类似车体的结构设计提供了参考。

图13 车体静强度试验现场