某地铁车辆底架边梁连接结构设计

摘要：为解决某地铁车辆全包式头罩安装空间的问题，本文将司机室位置底架边梁打断，前端边梁向车内移动20mm，中间加入过渡板，连接前、后底架边梁。但底架边梁打断后存在车体强度下降的风险，因此本文设计了3种底架边梁连接结构，再通过有限元仿真方法，比较3种结构在典型工况（AW3-1200kN压缩）下的应力分布情况，获得了一种安全、可靠的底架边梁连接结构。

关键词：地铁车辆；底架边梁；结构设计；有限元分析

中图分类号：U27""""""""" 文献标志码：A

随着人们日常出行需求的日益增加，地体车辆以其方便快捷、高效节能等优势成为城市交通运输不可或缺的一部分[1]。通常，地铁车辆前端被玻璃钢或其他材质制成的头罩覆盖，头罩通过粘接和螺栓固定组成的混合连接方式与车体骨架相连[2]。因此，车体骨架需要为头罩安装保留足够空间。

某地铁车辆采用全包式头罩结构，为确保头罩的安装空间，将司机室骨架与侧墙连接位置底架边梁打断，并将前端边梁向内移动20mm。同时，为提升车辆的通过性能[3]，将Tc车I端司机室门与侧墙连接点前端区域车体结构整体向内收5°。因此，底架边梁最终采取前端边梁向内收5°、2段边梁中间采用过渡板连接的形式。该方法可解决头罩安装空间和车辆通过性能的问题，但也会导致边梁连接处强度变弱。因此，本文比较了3种不同边梁连接结构的应力状态，来选择一种最可靠的边梁连接结构。

1边梁连接结构设计

根据EN12663标准要求，车体主体结构在各个工况下都不能出现屈服。为减少工况分析数量，本文对所有工况进行了仿真分析，发现边梁连接处最可能出现屈服的工况为AW3载荷下压缩1200kN工况。因此，本文的3种不同边梁连接结构应力分布情况分析都在该工况下进行。

1.1方案一

方案一的边梁连接结构和应力云分布如图1所示。图1（a）为前、后2段边梁间通过过渡板连接的边梁连接结构。其中，过渡板采用16mm的6082A-T6型材加工而成。采用有限元仿真分析软件对该结构在AW3、1200kN工况下的应力分布情况进行仿真，结果如图1（b）所示。从图1（b）可以看出，该工况下靠近过渡板底架下表面的焊缝热影响区最大应力为111MPa，考虑安全系数1.15，焊缝热影响区许用应力为100MPa，因此这种边梁连接结构无法车体强度要求。

1.2方案二

采用前、后边梁中间直接用过渡板对接的边梁连接结构，车体存在超出许用应力的风险。根据图1（b）的应力分布情况，需要在前端边梁增加补强结构。方案二的边梁连接结构和应力云分布如图2所示。图2（a）为一种底架边梁连接结构，将前端底架边梁下面一个腔体打开后，在其内部引入“L”形的加强结构。如图2（b）所示，“L”形加强结构由底架牵引梁型材加工而成，长度为240mm，在其距离型材端部50mm位置加工缺口，用于疏解加强结构焊后焊缝的应力。同时，结合图1（b）应力云分布情况，为避免前端底架边梁腔体打开后“U”形梁与底架前端边梁焊缝处于较大变形区域，本文选择在距离过渡板350mm处打开前端边梁的下部腔体，最后采用底架边梁型材加工而成的“U”形梁，将开放前端边梁腔体密封。图2（c）是方案二边梁连接结构应力云分布图。从图2（c）可以看出，焊缝热影响区最大应力为105MPa，仍超过许用应力100MPa，无法达到车体强度要求。

1.3方案三

方案三的边梁连接结构和应力云分布如图3所示。如图3（a）所示，本方案采取以板材加工成的“U”形梁代替薄弱区域母材的方式。根据图1（b）的应力分布情况，在前端边梁下部打开长350mm、高28mm的区域。图3（b）是前端边梁剖视图，对与边梁下表面连接的筋板进行加工，加工至距离焊缝坡口30mm位置。“U”形梁选用厚度为40mm的6082材质铝板进行加工，如图3（c）所示。“U”形梁靠近车下位置加工到8mm，其中远离过渡板一端加工到6mm，与前端边梁型材厚度匹配，并在距离过渡板250mm位置设置坡度为1∶12的过渡区。“U”形梁靠近车体外侧面加工到10mm，靠近车体内侧面加工到9mm，车内、外“U”形梁两侧加工与底架前端边梁厚度对接匹配坡口接头，将剩余厚度材料加工成自带焊接垫板的结构。图3（d）为方案三的应力云分布图，从图3（d）可以看出，靠近连接板的焊缝热影响区最大应力为89MPa，前端焊缝热影响区最大应力为95MPa，均未超过许用应力。

1.4仿真结构分析与讨论

本文对3种底架边梁连接结构进行了仿真分析，并比较了3种方案的应力情况、工艺性和成本等指标，结果见表1。从表1可以看出，方案三是一种切实可行的边梁连接结构。

方案一采用的前、后边梁对接中间过渡板连接的边梁连接结构是最简单的结构，具有工艺性好、成本低等优点，但这种连接结构的焊缝热影响区最大应力为111MPa，超出材料的许用应力，因此方案一的结构无法满足车体强度需求。与方案一相比，方案二采用将前端边梁下部腔体内打开，引入型材加工而成的“L”形加强筋的方式。同时，前端边梁腔体内打开后，内部的腔体面可与过渡板进行连接，增加了前端边梁与过渡板的有效连接面。但引入加强筋带来的强化效果仅分布于其接触区域，导致前端边梁腔体中间区域形成了一个强化区，因此，方案二中前端边梁下表面以上高应力分布区域明显减少，低应力区域明显增加，底架边梁下表面的高应力区域出现扩散现象。同时，方案二焊缝热影响的最大应力为105MPa，比方案一仅降低了6MPa，仍旧超出许用应力，没有达到车体强度要求，并且加强筋的引入也增加了车体焊接和装配时间，因此方案二不是一种切实可行的边梁连接结构。比较2种方案的应力分布情况，强化结构可提升与其直接接触区域的强度，因此采用将强化结构直接替代低应力区域母材的方式，可以达到提升车体强度目的。方案三采用以板材加工而成的“U”形梁代替前端边梁原有母材的方式。与前端边梁母材相比，“U”形梁下表面的厚度增加了2mm，内侧和外侧厚度均增加了4mm，材料厚度的提升增强了边梁连接处的刚度。与方案一相比，方案三靠近过渡板位置的焊缝热影响区的最大应力为89MPa，降低了23MPa。同时，由于“U”形梁下表面在远离焊缝热影响区域以外区域设置了过渡区，可避免在焊缝区域出现应力集中，并且前端边梁连接下表面的内侧筋板的加工削弱了前端底架边梁的刚度，因此疏解了远离过渡板的“U”形梁与前端边梁焊缝周围的应力，最终，远离连接板焊缝热影响区的最大应力为95MPa，比方案二降低了6MPa。方案三中边梁连接结构的焊缝热影响区应力均低于100MPa，满足车体强度要求。同时，从图3（d）可以看出，与方案一相比，前端底架边梁附近低应力的区域分布明显增大，应力的数值也明显降低。

因此，方案三是一种切实可行的边梁连接结构。

2试验验证

根据3个方案的仿真结果比较，某地铁车辆底架采用方案三的底架连接结构。为验证车体强度，在车体强度试验中对靠近底架边梁过渡板的位置进行应力测试，应变片贴片位置如图4所示。试验结果显示，该位置的应力值为67.82MPa，对称位置应力为69.25MPa，均满足车体强度需求。

3结论

本文设计了3种不同的底架边梁连接结构，并通过有限元仿真软件对AW3载荷、1200kN压缩工况下的3种结构进行了分析，得出以下结论。将前端边梁经过渡板与后端边梁直接连接，前端边梁下表面焊缝热影响区的应力为111MPa，超过材料许用应力。将前端边梁下部腔体打开，在腔体内加入“L”形加强筋，前端边梁下表面焊缝热影响区的焊缝应力为105MPa，仍超过材料许用应力。将板材加工“U”形梁取代前端边梁下部薄弱区域，前端边梁靠近过渡板下表面焊缝热影响区应力为89MPa，远离过渡板焊缝热影响区的最大应力为95MPa，均低于材料许用应力。车体强度试验结果显示，方案三的车体两侧靠近过渡板焊缝热影响区应力试验值分别为67.82MPa和69.25MPa，满足车体强度需求，是一种切实可行的底架边梁连接结构。

参考文献

[1]杨永平，赵东，边颜东，等. 中国区域轨道交通发展的宏观政策思考[J]. 城市交通，2017（1）：7-11.

[2]蒋鞠慧，陈敬菊．复合材料在轨道交通上的应用与发展[J]. 玻璃钢/复合材料，2009（6）：81-85.

[3]袁艳萍，谢红兵.A型地铁车辆底架边梁连接处强度分析与设计改进[J]. 电力机车与城轨车辆，2012，35（2）：47-49.