上海國產(chǎn)化A型地鐵列車車體結(jié)構(gòu)有限元分析

李 韜， 程 佳， 穆廣友

（上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海200233）

近年來國內(nèi)城鎮(zhèn)人口迅速增長、城市規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、城市化進(jìn)程加速帶來的交通擁堵和環(huán)境問題日益突出。為了解決這些問題，眾多大中城市開始大力發(fā)展公共交通。城市軌道交通作為城市公共交通系統(tǒng)中最具有影響力的環(huán)節(jié)，其需求越來越大，要求也越來越高。然而，城市軌道交通車輛的關(guān)鍵技術(shù)長期為國外制造商所掌握，國外軌道交通車輛價(jià)格高昂和技術(shù)壟斷成了制約國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。為此，國內(nèi)制造商加速技術(shù)發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)了適合中等城市公共交通系統(tǒng)的現(xiàn)代B型地鐵列車的國產(chǎn)化，其突出的性價(jià)比成功的令其迅速占領(lǐng)了國內(nèi)市場，繼而實(shí)現(xiàn)了出口盈利，而適合大型城市和特大型城市公共交通的A型地鐵列車則仍然被國外制造商所壟斷。2006年國家提出加快振興制造業(yè)的發(fā)展要求，其中一項(xiàng)主要任務(wù)就是要求掌握新型地鐵車輛核心技術(shù)，使我國軌道交通裝備制造業(yè)在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到世界先進(jìn)水平。A型地鐵列車的國產(chǎn)化因此提上日程，同時(shí)作為上海市重大產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目的國產(chǎn)化A型地鐵列車于2009年11月順利通過10萬千米載客運(yùn)營試驗(yàn)考核，在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了A型地鐵列車整車系統(tǒng)自主集成，作為車輛關(guān)鍵承載部件的車體結(jié)構(gòu)完全實(shí)現(xiàn)了自主研制。

1 車體有限元模型

上海國產(chǎn)化A型地鐵列車采用6輛編組型式，最大載客量2 460人，列車長度139.98 m，車輛寬度3 m，列車構(gòu)造時(shí)速90 km／h。其車體結(jié)構(gòu)分為帶司機(jī)室的拖車（A車）、帶受電弓的動(dòng)車（B車）和不帶受電弓的動(dòng)車（C車）3種型式。車輛研制過程中對(duì)其中兩種典型車體結(jié)構(gòu)A車與B車進(jìn)行有限元分析和靜強(qiáng)度與模態(tài)型式試驗(yàn)，驗(yàn)證車體結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。本文僅講述帶受電弓的動(dòng)車，即B車車體結(jié)構(gòu)的有限元分析。

B車車體采用梯形斷面焊接整體承載結(jié)構(gòu)，車體材料選用 EN AW－6005A T6和 EN AW－7005 T6，結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如表1所述。

表1 車體結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

用于創(chuàng)建車體結(jié)構(gòu)有限元模型的三維模型完全是建立在車體三維模型的實(shí)際中面位置上，以確保后續(xù)的有限元分析模型具有足夠的精度。建立用于有限元分析三維模型的步驟如下：① 在整車三維模型上確定所有結(jié)構(gòu)和型材的實(shí)際斷面；② 據(jù)整車實(shí)際斷面建立整車相應(yīng)結(jié)構(gòu)和型材的中面線框；③據(jù)整車所有結(jié)構(gòu)和型材的中面線框和整車三維模型，建立與之對(duì)應(yīng)的整車中面三維模型，如圖1所示。

圖1 用于創(chuàng)建車體有限元模型的三維模型

基于美國SDRC公司開發(fā)的I－DEAS MasterSeries（11.0）軟件，模型構(gòu)成以任意4節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元為主，與板單元相比，殼單元由于綜合考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，因此具有更高的計(jì)算精度。建立車體有限元模型時(shí)，采用剛性單元來模擬車體底架與牽枕緩的連接關(guān)系，采用位移主—從關(guān)系來模擬車體底架與牽枕緩的受力關(guān)系。車體靜強(qiáng)度分析中，3點(diǎn)支承載荷工況采用整車結(jié)構(gòu)為計(jì)算對(duì)象，其他計(jì)算工況采用1／2車體結(jié)構(gòu)為計(jì)算對(duì)象；車體的模態(tài)和穩(wěn)定性分析采用整車結(jié)構(gòu)為計(jì)算對(duì)象。1／2車體結(jié)構(gòu)的有限元模型中單元總數(shù)為290 981，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為240 338；整車結(jié)構(gòu)的有限元模型中單元總數(shù)為582 232，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為478 563。圖2、3分別為牽枕緩和1／2車體結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格。

圖2 牽枕緩有限元模型

圖3 1／2車體有限元模型

2 有限元分析內(nèi)容

2.1 強(qiáng)度與剛度分析

車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度有限元分析主要依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12663－2000《鐵路應(yīng)用－鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》，并參考德國交通企業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)VDV152《符合德國有軌電車施工和運(yùn)營條例規(guī)定的公共客運(yùn)軌道車輛的結(jié)構(gòu)要求》、中國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB／T1335－1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》和國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC566《客車車體及其零部件的載荷》，要求各工況車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力均不大于材料許用應(yīng)力[1－4]。表2、3分別列出了車體靜強(qiáng)度計(jì)算工況A車和B車主要工況車體應(yīng)力分布，其中壓縮載荷與垂向靜載荷疊加工況的車體應(yīng)力分布如圖4所示。

表2 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

表3 B車主要工況車體應(yīng)力匯總 Mpa

圖4 壓縮載荷與垂向靜載荷疊加工況1／2車體范式等效應(yīng)力云圖

許用應(yīng)力的計(jì)算方法如下

式中，σs為材料的屈服強(qiáng)度，S為安全系數(shù)。

S＝1.25，單一工況（無焊縫區(qū)，S＝1.25；有焊縫區(qū)，S＝1.375）；

S＝1.0，組合工況（無焊縫區(qū)，S＝1.0；有焊縫區(qū)，S＝1.1）。

B車車體垂向靜載荷工況底架邊梁撓度8.6 mm，地板撓度17.2 mm。門口菱形變形均小于5 mm。B車車體相當(dāng)彎曲剛度EJc＝1.36×109N·m2，相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度GJp＝5.14×108N·m2／rad。

經(jīng)有限元計(jì)算可以得出各載荷工況車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 車體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

車體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析工況為無約束自由模態(tài)，分析采用美國航空航天局開發(fā)的MSC Nastran（2004）軟件系統(tǒng)，可以快速求解大規(guī)模特征值問題。車體結(jié)構(gòu)無約束模態(tài)分析共取10階模態(tài)，其中前6階為剛體模態(tài)。圖5和圖6分別為B車車體第8階和第9階振型位移云圖。表4列出了B車車體結(jié)構(gòu)前7～10階模態(tài)。

圖5 B車車體第8階振型位移云圖

圖6 B車車體第9階振型位移云圖

表4 B車車體結(jié)構(gòu)前7～10階模態(tài)

上海國產(chǎn)化A型地鐵列車動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的自振頻率試驗(yàn)數(shù)據(jù)為6.24 Hz（AW0），通過有限元分析得出的B車車體整備狀態(tài)自振頻率為9.05 Hz。車體整備狀態(tài)自振頻率與動(dòng)車轉(zhuǎn)向架自振頻率差值超過2 Hz，車體整備狀態(tài)自振頻率是動(dòng)車轉(zhuǎn)向架自振頻率的1.45倍，車體自振頻率的控制可以避免車體與轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生共振。

2.3 穩(wěn)定性分析

動(dòng)車車端無防爬裝置，因此在進(jìn)行B車車體屈曲穩(wěn)定性分析時(shí)，僅在一端車鉤安裝座處施加1 200 KN壓力，另一端車鉤安裝座處施加縱向和橫向位移約束，心盤中心處施加垂向位移約束，分析采用MSC Nastran（2004）軟件系統(tǒng)。B車車體線性屈曲／失穩(wěn)分析的第1階屈曲模態(tài)如圖7所示。車體第1階模態(tài)屈曲載荷因子為λ＝1.702 4，失穩(wěn)臨界載荷Pcr＝λ×P＝2 043 KN，屈曲載荷因子大于安全系數(shù)1.5，失穩(wěn)部位發(fā)生在牽引梁端部車鉤座附近的地板上表面處，車體結(jié)構(gòu)受壓穩(wěn)定。

圖7 B車車體第1階屈曲模態(tài)

2.4 疲勞強(qiáng)度分析

疲勞壽命預(yù)測時(shí)，通常由載荷譜加載或?qū)嵻嚋y試獲得動(dòng)應(yīng)力。由于缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法結(jié)合國際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中提供的鋼及鋁焊接接頭S－N曲線數(shù)據(jù)，對(duì)車體關(guān)鍵部位進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測；因此，在設(shè)計(jì)階段采用相對(duì)簡單的模擬方法。國內(nèi)200 Km／h以上高速列車設(shè)計(jì)規(guī)范中，車體疲勞強(qiáng)度評(píng)定參考UIC規(guī)程，按車體結(jié)構(gòu)在承受運(yùn)用載荷±20%時(shí)得到的兩個(gè)靜應(yīng)力作為動(dòng)應(yīng)力的峰谷值進(jìn)行疲勞強(qiáng)度考核。通常車體的運(yùn)用載荷采用AW2載荷，鑒于國內(nèi)外軌道交通車輛運(yùn)營狀況的區(qū)別，疲勞強(qiáng)度分析車體的運(yùn)用載荷采用AW3載荷，并參照國外的鋁鎂硅系列鋁合金材料疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。表5、6分別列出了車體結(jié)構(gòu)主要焊接部位和非焊接部位的計(jì)算應(yīng)力幅及許用應(yīng)力幅（107周次）。

表5 車體結(jié)構(gòu)主要焊接部位計(jì)算應(yīng)力幅及許用應(yīng)力幅（107周次）

表6 車體結(jié)構(gòu)非焊接部位計(jì)算應(yīng)力幅及許用應(yīng)力幅（107周次）

分析表明所有最大應(yīng)力幅均小于許用最大應(yīng)力幅，因而當(dāng)車體材料機(jī)械性能與焊接質(zhì)量得到保證時(shí)，車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.5 耐撞性分析

上海國產(chǎn)化A型地鐵列車在A車車體前端即列車兩端設(shè)置有緩沖區(qū)，用以吸收列車發(fā)生碰撞時(shí)鉤緩裝置完全作用而未能吸收的沖擊能量，要求碰撞時(shí)車體變形限制在此區(qū)域，其他部位不產(chǎn)生永久性變形，保證前端結(jié)構(gòu)容易維修更換，具有合理的碰撞壓塌失效順序及減速度值，從而最大限度地保證司乘人員的人身安全。列車中部車輛的連接裝置不設(shè)剪切裝置，過載時(shí)連接裝置不剪斷，車體結(jié)構(gòu)不接觸，從而保持列車的完整性；因此，大變形碰撞分析僅針對(duì)A車車體承載結(jié)構(gòu)，并參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 15227—2008《鐵路車輛車體的防撞性要求》單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。因本文篇幅有限不做詳解，僅介紹其計(jì)算結(jié)果。大變形碰撞分析采用美國ANSYS公司開發(fā)的 ANSYS／LS－DYNA 軟件，碰撞條件設(shè)定為其車體以50 km／h的初速度撞擊固定平面剛性墻體，計(jì)算時(shí)間為50 ms。分析顯示當(dāng)碰撞速度為50 km／h時(shí)，車體端部在t＝50 ms時(shí)的吸能總量為440 kJ，此時(shí)車體塑性大變形僅發(fā)生在車體端部的非乘客區(qū)，彈性小變形發(fā)生在車體的乘客區(qū)，變形過程穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生失穩(wěn)。

3 結(jié) 語

上海國產(chǎn)化A型地鐵列車車體結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果表明：該車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度及耐撞性均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以作為詳細(xì)設(shè)計(jì)的依據(jù)和產(chǎn)業(yè)化車輛設(shè)計(jì)的技術(shù)儲(chǔ)備。有限元分析結(jié)果同時(shí)表明，車體的強(qiáng)度和剛度有一定余量，經(jīng)過車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)和模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證后應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，在車輛產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而使結(jié)構(gòu)布局與材料選擇更具有針對(duì)性，設(shè)計(jì)更科學(xué)合理。

[1] 歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).BS EN 12663－2000鐵路應(yīng)用－鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求[S].布魯塞爾：歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，2000.

[2] Helmut Bugarcic，Leo Geers，Erich Meyer－Plate.VDV152符合德國有軌電車施工和運(yùn)營條例規(guī)定的公共客運(yùn)軌道車輛的結(jié)構(gòu)要求[S].漢若威：德國交通企業(yè)協(xié)會(huì)，1992.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB／T1335－1996鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].北京：中華人民共和國鐵道部，1996.

[4] 國際鐵路聯(lián)盟.UIC566客車車體及其零部件的載荷[S].巴黎：國際鐵路聯(lián)盟，1990.