等断面地铁车辆车体侧墙梁柱增加减重孔可行性研究

许娜 刘杰 王科飞 刘勇鑫

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062

对地铁车辆车体结构而言，轻量化是实现节能减排的重要手段。目前主要从材料和结构两方面研究轻量化技术。材料方面，当前运用比较成熟的技术主要是铝合金车体，例如，上海、武汉等大中城市多条线路运营的铝合金车体。结构方面，轻量化设计结构具有较强的针对性，特别是对不锈钢车体车辆来讲，具有很深入的研究空间。

1 车体结构基本参数

不锈钢地铁车辆具有制造技术成熟、抗腐蚀性能优良、免维修维护等特点。本文基于B型、等断面（无机组和受电弓平台）[1]、不锈钢地铁车辆的车体结构，选择某个带司机室的车型建模，根据EN12663：2010铁路应用-轨道车辆的车体结构要求利用ANSYS子模型分析技术[2]进行研究分析。全车主要采用SUS301L系列不锈钢材料，整车为板梁结构，各部件通过点焊辅以弧焊连接[3]。主要技术参数见表1。

2 减重方案设计

2.1 减重孔的设计

根据车辆装配、功能接口和梁柱断面完整性等需求，进行侧墙增加减重孔方案设计，在梁柱与墙板贴合面区域避开点焊点位置增加10×20或10×30的长圆孔。根据减重孔布置形式，单车减重约为5-10Kg。

2.2 材料的选择

为分析研究侧墙减重孔设计结构的实际应用意义，本文结合既有车辆常规选材原则对梁柱、墙板等主要结构件进行特定材料赋值，然后利用ANASYS进行分析测试。墙板选用SUS301L-DLT，立柱及补强梁选用SUS301L-MT。

3 计算对比分析

有限元分析模型建立。基于某项目搭建车体有限元模型。为给出明显确切的研究结果，建模时，使一侧侧墙维持原结构，另一侧增加减重孔，然后对减重前后的全车结构、侧墙对称结构的应力变化情况进行比对分析。

经分析，所有计算工况下，减重前后的车顶、端墙、底架等主要受力部位应力值变化可忽略不计。压缩、拉伸、三点支撑等工况下，整车应力变化最大点出现在枕梁附近区域的侧墙客室窗角、客室门角处，应力变化值低于10MPa，且均未超出材料的屈服极限。应力变化较大点数据采集见表2。截取部分有限元分析位置及结果见图1、图2。

表2 仿真分析结果数据采集

图1 数据采集点位置示意

图2 窗侧立柱受力（点3）

针对枕内三点支撑工况，受力变化较大位置在点1附近的窗侧立柱上，与其它工况不同，增开减重孔后，立柱所受应力呈下降趋势。

4 结语

通过计算分析得出，侧墙梁柱增加减重孔前后，整体应力在门角、窗角、架车位处的外墙板上等应力集中多发区域呈增加趋势，在梁柱上呈下降趋势，且主要发生在拉伸、压缩、三点支撑工况，增幅均低于10MPa，满足仿真分析中安全系数的要求。由此该减重设计方案具备一定的效果，但该方案的后续运用，须根据车辆具体特点、梁柱成型工艺、选用材料并结合整体性能要求等统筹考虑。