一种城轨车辆司机室结构分析

姜琨久 刘英博 李 帅 宗清泽

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京211800）

1 概述

随着社会时代不断的进步，针对国内外城轨车辆技术也提高要求，城轨车辆车体中司机室设计主要受到美工方案、面罩、逃生门等设备的安装影响。随着地铁业主也不断对生产制造企业提出更高的标准要求，司机室设计难度也随之越来越高。

本文论述以城轨某地铁项目为举例，在满足符合当地环境，人文要求下，同时也要满足其他业务接口要求，更需要保证静强度和疲劳强度符合标准要求。

2 司机室结构特点

本项目司机室由铝合金型材焊接构架，型材设计时既要考虑司机室前部满足碰撞的吸能要求，也要满足压缩的强度要求。司机室前部端梁选用的材料为6008-T4，6008-T4 的屈服强度为90MPa，为低强度高韧性材料，恰能满足此要求。其他型材基本选用材料为6005A-T6，可以承受垂直、纵向、扭转等载。在碰撞中可满足司机室生存空间的要求。司机室的结构设计很大程度受接口的影响如图1 所示。

图1 司机室结构

此类车体司机室有吸收碰撞能量的功能要求，所以利用螺栓与车体其他部分进行连接，这种结构拆卸方便并在一定的碰撞时，可以很好保护驾驶员安全，也可以使车体其他部分减少其碰撞导致的不可逆转的损坏。

3 有限元分析

有限元分析应满足参考标准（1）BS EN 12663-1:2010《铁道应用- 轨道车身的结构要求》；（2）BS EN 1999-1-3-2007《Eurocode 9：Design of aluminium structures--Part 1-3:structures susceptible to fatigue》；

车体结构包括以下部分：底架，侧墙，端墙，车顶和司机室。我们模拟计算司机室必须要囊括其所有车体部分，这样计算结果才能严谨有效。

我们用nx nastran 软件进行静强度处理如图1 所示，疲劳则利用fatevas 进行有限元模型建立。

车体主要材料参数如下；

材料名称；EN 6005A-T6，母材屈服强度（Mpa）e≤5 为215，5

材料名称；EN 6082-T6，母材屈服强度（Mpa）e≤6 为260，6

材料名称；EN 5083-H111，母材屈服强度（Mpa）e≤6.3 为125，6.3

车体针对静强度计算的参数按以下两种工况，相对AW0 状态，计算AW3 状态更能体现计算静强度的重要性。

工况1；AW3 车钩拉伸工况，车长方向施加F1=640KN，垂直方向-1g，质量为车体整备质量+ AW3 工况下乘客质量21995kg+19860kg。

工况2；AW3 车钩压缩工况，车长方向施加F1=9000KN，垂直方向-1g，车体整备质量+ AW3 工况下乘客质量21995kg+19860kg。

AWO 为整备状态（空载），AW2 为每平米站6 人,AW3 为每平米站8 人，每个乘客重量为60kg

分别对以下三种工况进行疲劳计算及其参数要求如下；

工况1；纵向加速度冲击，车体状态为AW2，车长方向受到±0.15g，循环次数1.00E+07。

工况2；横向加速度冲击，车体状态为AW2，车宽方向受到±0.15g，循环次数1.00E+07。

工况3；垂直加速度冲击，车体状态为AW2，车高方向受到±0.15g，循环次数1.00E+07。

静强度校核方法：

本报告中静强度工况计算应力结果均采用第四强度理论当量应力进行校核。其计算公式为：

式中：

σv，m为第四强度理论当量应力/Mpa；

σi（i=1，2，3）为第i 主应力/Mpa；

静强度计算分析的验收规范如下：

（1）材料不产生永久变形；

（2）静强度计算应力应小于或者等于材料许用应力。

疲劳强度校核方法：

疲劳强度分析采用疲劳分析中的疲劳极限法，根据准静态下线弹性结构的有限元分析结果，结合材料S-N 曲线进行结构疲劳分析。疲劳极限是一个应力程度，如果所有动态应力循环均低于它，在该应力程度时就不会发生疲劳破坏。

通过计算EN 12663 标准中规定的疲劳工况，获取焊缝处四个方向的应力（σTc- 平行于焊缝的正应力，σNc- 垂直于焊缝的正应力，τTc- 平行于焊缝的剪应力，τNc- 垂直于焊缝的剪应力）。疲劳计算采用EN 1999-1-9 标准（详细方法请参考第8节）。

垂直于焊趾方向：

式中，frdT、frdN分别为平行于焊趾和垂直于焊趾方向的许用应力。

依据EN12663 标准中关于车体疲劳强度的规定，必须保证车体不少于30 年的许用寿命，车体焊缝不会出现疲劳失效（具体说来，必须保证6.3.1 中提到的焊缝疲劳利用系数值UF 小于或者等于1）。

4 计算结果与分析

4.1 静强度模拟计算

AW3 状态下车钩中心线压缩工况AW3 状态下车钩中心线拉伸工况

图2 司机室应力云图

图3 司机室应力云图

4.2 疲劳强度部分

焊缝疲劳结果

对所有焊缝进行疲劳强度校核，综合评定所有疲劳工况，总体来说，整车焊缝疲劳寿命满足标准中的规定，车体寿命需要满足30 年要求。

图4 司机室焊缝疲劳云图

焊缝疲劳结果数值，各部件最大焊缝疲劳利用系数为0.981，整车最大焊缝疲劳利用系数0.993，判断标准（UF<1），满足要求。

通过计算司机室侧立柱与纵梁连接处应力相对较大，疲劳利用系数相对较高，应予以关注；其它部位的焊缝应力相对较低。

通过对该车体进行的强度（静强度工况、疲劳强度工况）从结果中我们可以看出：

静强度计算完全满足EN12663 标准的要求。计算得出的车体变形与此类结构通常所容许的相符，在所有静态工况下，所得到的结构最小安全系数大于1.0。

通过对车体运行工况下的载荷进行模拟，车体焊缝疲劳寿命和母材疲劳寿命在基本运营工况下，能够完全满足标准要求。疲劳利用系数在各个工况下的数值均小于1，车体各个焊缝在标准EN 12663 要求的循环载荷作用下，能够满足循环力作用一千万次的要求。

5 结论

5.1 通过有限元计算对静强度和疲劳试验结果对比表明,验证了仿真分析与试验的准确性，其设计的司机室完全符合标准要求。

5.2 根据有限元静强度计算, 车体司机室在各工况下的应力水平都小于相应结构对应的许用应力, 满足强度要求。

5.3 今后未来对车体结构设计要求标准会进一步提高，从设计的角度看，车体结构需要不断的优化与强化。