上海國產化A型地鐵列車車體結構有限元分析

李 韜， 程 佳， 穆廣友

（上海軌道交通設備發展有限公司，上海200233）

近年來國內城鎮人口迅速增長、城市規模持續擴大、城市化進程加速帶來的交通擁堵和環境問題日益突出。為了解決這些問題，眾多大中城市開始大力發展公共交通。城市軌道交通作為城市公共交通系統中最具有影響力的環節，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鍵技術長期為國外制造商所掌握，國外軌道交通車輛價格高昂和技術壟斷成了制約國內城市軌道交通建設可持續發展的重要因素。為此，國內制造商加速技術發展，成功實現了適合中等城市公共交通系統的現代B型地鐵列車的國產化，其突出的性價比成功的令其迅速占領了國內市場，繼而實現了出口盈利，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的發展要求，其中一項主要任務就是要求掌握新型地鐵車輛核心技術，使我國軌道交通裝備制造業在較短時間內達到世界先進水平。A型地鐵列車的國產化因此提上日程，同時作為上海市重大產業科技攻關項目的國產化A型地鐵列車于2009年11月順利通過10萬千米載客運營試驗考核，在國內率先實現了A型地鐵列車整車系統自主集成，作為車輛關鍵承載部件的車體結構完全實現了自主研制。

1 車體有限元模型

上海國產化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，列車構造時速90 km／h。其車體結構分為帶司機室的拖車（A車）、帶受電弓的動車（B車）和不帶受電弓的動車（C車）3種型式。車輛研制過程中對其中兩種典型車體結構A車與B車進行有限元分析和靜強度與模態型式試驗，驗證車體結構是否滿足設計要求。本文僅講述帶受電弓的動車，即B車車體結構的有限元分析。

B車車體采用梯形斷面焊接整體承載結構，車體材料選用 EN AW－6005A T6和 EN AW－7005 T6，結構基本參數如表1所述。

表1 車體結構基本參數

用于創建車體結構有限元模型的三維模型完全是建立在車體三維模型的實際中面位置上，以確保后續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構和型材的實際斷面；② 據整車實際斷面建立整車相應結構和型材的中面線框；③據整車所有結構和型材的中面線框和整車三維模型，建立與之對應的整車中面三維模型，如圖1所示。

圖1 用于創建車體有限元模型的三維模型

基于美國SDRC公司開發的I－DEAS MasterSeries（11.0）軟件，模型構成以任意4節點等參薄殼單元為主，與板單元相比，殼單元由于綜合考慮了結構單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應，因此具有更高的計算精度。建立車體有限元模型時，采用剛性單元來模擬車體底架與牽枕緩的連接關系，采用位移主—從關系來模擬車體底架與牽枕緩的受力關系。車體靜強度分析中，3點支承載荷工況采用整車結構為計算對象，其他計算工況采用1／2車體結構為計算對象；車體的模態和穩定性分析采用整車結構為計算對象。1／2車體結構的有限元模型中單元總數為290 981，結點總數為240 338；整車結構的有限元模型中單元總數為582 232，結點總數為478 563。圖2、3分別為牽枕緩和1／2車體結構的有限元網格。

圖2 牽枕緩有限元模型

圖3 1／2車體有限元模型

2 有限元分析內容

2.1 強度與剛度分析

車體結構強度與剛度有限元分析主要依據歐洲標準BS EN 12663－2000《鐵路應用－鐵道車輛車體結構要求》，并參考德國交通企業協會標準VDV152《符合德國有軌電車施工和運營條例規定的公共客運軌道車輛的結構要求》、中國鐵道行業標準TB／T1335－1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》和國際鐵路聯盟標準UIC566《客車車體及其零部件的載荷》，要求各工況車體結構應力均不大于材料許用應力[1－4]。表2、3分別列出了車體靜強度計算工況A車和B車主要工況車體應力分布，其中壓縮載荷與垂向靜載荷疊加工況的車體應力分布如圖4所示。

表2 靜強度計算工況

表3 B車主要工況車體應力匯總 Mpa

圖4 壓縮載荷與垂向靜載荷疊加工況1／2車體范式等效應力云圖

許用應力的計算方法如下

式中，σs為材料的屈服強度，S為安全系數。

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

S＝1.0，組合工況（無焊縫區，S＝1.0；有焊縫區，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車車體相當彎曲剛度EJc＝1.36×109N·m2，相當扭轉剛度GJp＝5.14×108N·m2／rad。

經有限元計算可以得出各載荷工況車體結構的強度和剛度均滿足標準要求。

2.2 車體結構模態分析

車體結構模態分析工況為無約束自由模態，分析采用美國航空航天局開發的MSC Nastran（2004）軟件系統，可以快速求解大規模特征值問題。車體結構無約束模態分析共取10階模態，其中前6階為剛體模態。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車車體結構前7～10階模態。

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車車體結構前7～10階模態

上海國產化A型地鐵列車動車轉向架的自振頻率試驗數據為6.24 Hz（AW0），通過有限元分析得出的B車車體整備狀態自振頻率為9.05 Hz。車體整備狀態自振頻率與動車轉向架自振頻率差值超過2 Hz，車體整備狀態自振頻率是動車轉向架自振頻率的1.45倍，車體自振頻率的控制可以避免車體與轉向架產生共振。

2.3 穩定性分析

動車車端無防爬裝置，因此在進行B車車體屈曲穩定性分析時，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。B車車體線性屈曲／失穩分析的第1階屈曲模態如圖7所示。車體第1階模態屈曲載荷因子為λ＝1.702 4，失穩臨界載荷Pcr＝λ×P＝2 043 KN，屈曲載荷因子大于安全系數1.5，失穩部位發生在牽引梁端部車鉤座附近的地板上表面處，車體結構受壓穩定。

圖7 B車車體第1階屈曲模態

2.4 疲勞強度分析

疲勞壽命預測時，通常由載荷譜加載或實車測試獲得動應力。由于缺乏試驗數據，無法結合國際焊接學會標準中提供的鋼及鋁焊接接頭S－N曲線數據，對車體關鍵部位進行疲勞壽命預測；因此，在設計階段采用相對簡單的模擬方法。國內200 Km／h以上高速列車設計規范中，車體疲勞強度評定參考UIC規程，按車體結構在承受運用載荷±20%時得到的兩個靜應力作為動應力的峰谷值進行疲勞強度考核。通常車體的運用載荷采用AW2載荷，鑒于國內外軌道交通車輛運營狀況的區別，疲勞強度分析車體的運用載荷采用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數據進行評估。表5、6分別列出了車體結構主要焊接部位和非焊接部位的計算應力幅及許用應力幅（107周次）。

表5 車體結構主要焊接部位計算應力幅及許用應力幅（107周次）

表6 車體結構非焊接部位計算應力幅及許用應力幅（107周次）

分析表明所有最大應力幅均小于許用最大應力幅，因而當車體材料機械性能與焊接質量得到保證時，車體結構設計能夠滿足疲勞強度設計要求。

2.5 耐撞性分析

上海國產化A型地鐵列車在A車車體前端即列車兩端設置有緩沖區，用以吸收列車發生碰撞時鉤緩裝置完全作用而未能吸收的沖擊能量，要求碰撞時車體變形限制在此區域，其他部位不產生永久性變形，保證前端結構容易維修更換，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剪切裝置，過載時連接裝置不剪斷，車體結構不接觸，從而保持列車的完整性；因此，大變形碰撞分析僅針對A車車體承載結構，并參考歐洲標準DIN EN 15227—2008《鐵路車輛車體的防撞性要求》單獨對其進行評價。因本文篇幅有限不做詳解，僅介紹其計算結果。大變形碰撞分析采用美國ANSYS公司開發的 ANSYS／LS－DYNA 軟件，碰撞條件設定為其車體以50 km／h的初速度撞擊固定平面剛性墻體，計算時間為50 ms。分析顯示當碰撞速度為50 km／h時，車體端部在t＝50 ms時的吸能總量為440 kJ，此時車體塑性大變形僅發生在車體端部的非乘客區，彈性小變形發生在車體的乘客區，變形過程穩定，沒有產生失穩。

3 結 語

上海國產化A型地鐵列車車體結構有限元分析結果表明：該車體結構的強度、剛度、模態、穩定性、疲勞強度及耐撞性均滿足設計標準要求，可以作為詳細設計的依據和產業化車輛設計的技術儲備。有限元分析結果同時表明，車體的強度和剛度有一定余量，經過車體靜強度試驗和模態試驗驗證后應進行對比分析，在車輛產業化設計時對車體結構進行優化，從而使結構布局與材料選擇更具有針對性，設計更科學合理。

[1] 歐洲標準化委員會.BS EN 12663－2000鐵路應用－鐵道車輛車體結構要求[S].布魯塞爾：歐洲標準化委員會，2000.

[2] Helmut Bugarcic，Leo Geers，Erich Meyer－Plate.VDV152符合德國有軌電車施工和運營條例規定的公共客運軌道車輛的結構要求[S].漢若威：德國交通企業協會，1992.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB／T1335－1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].北京：中華人民共和國鐵道部，1996.

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