高强度B型地铁车体结构轻量化研究

何文佳，许晶晶，陈 莹，陈 希

(1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412000； 2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000； 3.湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

目前，国内B型地铁车体的强度指标通常必须满足抗压强度1 000 kN、抗拉强度960 kN；高强度B型车体必须满足A型车体的强度指标，即能满足抗压强度1 200 kN、抗拉强度960 kN。为满足高强度指标，高强度铝合金B型车体重量一般达到了6.8 t以上。随着各地铁公司对绿色运营、智慧地铁的要求越来越高，对车辆的重量指标控制也越加严格。在满足高强度指标的前提下，对车体进行轻量化设计的需求变得愈加迫切。

1 车体结构轻量化设计

通过对高强度B型车体进行有限元分析计算发现，车体结构在侧墙板、顶盖边梁等部件强度余量较大，存在轻量化优化设计空间。同时侧墙板一般采用5块型材拼焊，焊缝较多，侧墙平面度较难控制；顶盖一般采用单层顶盖，顶盖强度及隔声性能有待改善；空调底板及受电弓底板上需要额外焊接纵横梁、风道、布线安装座，整个顶盖上安装座数量及种类繁多，非常不利于顶盖的模块化设计，整个车体在重量、强度、隔声、模块化设计等方面存在较大的优化空间。

1.1 侧墙结构优化设计

侧墙结构通常采用40 mm厚度的5块型材拼焊而成，型材内部筋板一般采用斜向布置。为实现轻量化目标，将内部筋板布置由斜向布置优化为横向布置，如图1所示。同时，为减少侧墙板焊缝数量，采用宽体侧墙型材，将组成侧墙板的型材数量由5块优化为4块，达到提高侧墙板平面度指标的目的。侧墙结构通过轻量化设计后，侧墙结构可减重60 kg。

1.2 顶盖结构优化设计

B型车顶盖边梁通常由边梁、长梁组焊而成。通过优化设计，将顶盖边梁与顶盖长梁设计为一种型材结构，取消了顶盖边梁与长梁的连接焊缝，有利于减少顶盖边梁的变形，同时通过合理调整顶盖边梁内部筋板布置，有效实现减重目标。顶盖边梁优化如图2所示。

(a)优化前的侧墙结构 (b)优化后的侧墙结构

(a)优化前的顶盖边梁结构 (b)优化后的顶盖边梁结构

圆弧顶盖由原先的单层顶盖优化为双层顶盖结构，通过噪声测试，优化后整车隔声性能有约3 dB的提升，提高了乘客乘坐舒适度。同时圆弧顶盖型材根据纵横梁、空调风道、顶盖布线接口设计为自带C型槽的结构，极大地减少了各种安装座的焊接，且安装的工艺性和效率得到明显提升。圆弧顶盖的优化如图3所示。圆弧顶盖经过以上优化，节车可减重230 kg。

(a)优化前的圆弧顶盖结构 (b)优化后的圆弧顶盖结构

1.3 底架结构优化设计

底架作为整个车体主要承载结构，承受车体纵向拉压载荷及乘客垂向载荷的综合作用。底架结构强度直接决定整个车体的强度指标。

底架缓冲梁盖板圆弧区域因结构突变，且直接传递拉压载荷，应力集中比较明显。将缓冲梁盖板由板材结构优化为帽形型材结构，使缓冲梁盖板与缓冲梁连接焊缝远离圆弧过渡区域的高应力区，保证结构强度安全。缓冲梁盖板优化如图4所示。

(a)优化前 (b)优化后

Ⅱ端端部结构因车钩尺寸限制，车钩安装孔位于立板外侧，车体在承受纵向拉伸及压缩力时，车钩孔区域会形成一个较大的弯矩，导致该区域应力较大。为避开应力集中区域，将Ⅱ端牵引梁与立板连接焊缝设置在离车钩安装孔225 mm的位置，同时在车钩板后侧焊接一个L型加强板，有效分担部分载荷。Ⅱ端端部结构优化如图5所示。

图5 Ⅱ端端部结构优化

2 有限元验证分析

2.1 静强度分析

采用ANSYS软件对优化后的车体静强度进行有限元分析，并采用车体静强度试验对车体强度进行试验验证。静强度验证结果如表1所示。

在表1所列的几个主要静强度工况，车体关键区域测点的应力均未超过其许用应力，且测点的计算值和试验值吻合得较好。优化后车体的静强度满足标准要求。

2.2 稳定性分析

结构稳定性计算分析是考核当结构承受一定载荷时结构发生线弹性屈曲的临界载荷。对优化后的车体在AW3与车钩座高度1200 kN纵向压缩合成工况下的结构稳定性进行计算，计算结果如表2所示。由计算结果可知，在屈曲工况下，第一阶模态屈曲载荷因子λ大于标准要求的1.5，且为地板结构局部失稳，优化后的车体结构的稳定性满足要求。

表1 主要静强度工况及结果

表2 车体车钩压缩工况下屈曲分析结果

2.3 疲劳分析

采用标准DVS 1608《轨道车辆制造领域中铝合金焊接结构的形状和强度评定》规定的疲劳极限法对优化后的车体进行疲劳强度的计算校核。分析结果表明：优化后，车体的关键焊缝最大的材料利用度为0.557，出现在侧墙门角与门立柱的连接焊缝位置。优化后车体的疲劳强度满足设计要求。图6为侧墙门立柱与顶盖边梁连接焊缝的疲劳强度打点图，图7为该位置的材料利用率云图。

图6 侧墙门角与门立柱连接焊缝疲劳强度打点图

图7 侧墙门角与门立柱连接焊缝材料利用率云图

3 结语

本文对高强度B型地铁车体各部件进行了轻量化分析研究，并实现了车体结构减重300 kg左右的轻量化目标。采用有限元分析及试验手段，对优化后车体结构的静强度、稳定性及疲劳强度进行了验证，结果表明，轻量化后的车体强度、稳定性、疲劳性能均满足相关标准要求。本文的研究成果为高强度轻量化B型地铁平台的搭建提供了参考。