地鐵輕量化車(chē)體結(jié)構(gòu)及其模態(tài)分析

蒲茂武

摘 要：簡(jiǎn)述了地鐵車(chē)體輕量化對(duì)于高效率運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)效益方面的積極意義，介紹了地鐵鋁合金車(chē)體的特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS軟件和模態(tài)分析方法建立了地鐵鋁合金車(chē)體的有限元模型，分兩種工況進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算分析，得出了車(chē)體的前6階模態(tài)及振型，結(jié)果表明該車(chē)體滿足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，并對(duì)車(chē)體輕量化工作提出了建議。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)體；輕量化；ANSYS；模態(tài)分析

一、鐵道車(chē)輛車(chē)體輕量化

鐵道車(chē)輛發(fā)展過(guò)程中，為了提高車(chē)輛剛度和運(yùn)行速度，車(chē)輛由木質(zhì)發(fā)展為鋼制，為了提供良好的舒適度和提高經(jīng)濟(jì)效益，車(chē)輛又由鋼制發(fā)展為不銹鋼和鋁合金車(chē)輛。現(xiàn)階段高效率運(yùn)輸對(duì)于鐵道車(chē)輛的輕量化設(shè)計(jì)提出了要求，鐵道車(chē)輛車(chē)體輕量化能減小車(chē)輛運(yùn)行阻力，減少運(yùn)行能耗[1]。對(duì)于站間距離較短、需要頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的地鐵車(chē)輛來(lái)說(shuō)，車(chē)體輕量化在減少能耗方面有著更加明顯的積極意義。另外，車(chē)體輕量化能降低因磨耗產(chǎn)生的維修費(fèi)用，能有助于車(chē)輛運(yùn)行速度的提高。鋁合金地鐵車(chē)體的設(shè)計(jì)是地鐵車(chē)輛輕量化的重要課題。

二、鋁合金車(chē)體及其結(jié)構(gòu)

鋁合金材料具有較低的密度、良好的強(qiáng)度、耐蝕性能和加工性能且質(zhì)輕柔軟易于再生的特點(diǎn)。地鐵鋁合金車(chē)體是一種輕型整體承載結(jié)構(gòu)，主體材料為鋁合金型材，通常采用模塊化結(jié)構(gòu)或全焊接組裝，是一種新型的車(chē)體結(jié)構(gòu)[2]。其主要優(yōu)點(diǎn)有：能大幅度降低車(chē)輛自重且具有足夠剛度；具有較小的密度及楊氏模量，對(duì)沖擊載荷有較高能量吸收能力，可降低振動(dòng)，減少噪聲；大型中空擠壓型材的氣密性設(shè)計(jì)，提高車(chē)輛密封性能，提高乘坐舒適性；采用大型中空擠壓型材制造的板塊式結(jié)構(gòu)，可減少連接件的數(shù)量和重量；減少維修費(fèi)用，延長(zhǎng)使用壽命。

地鐵輕量化鋁合金車(chē)體主要底架、側(cè)墻、車(chē)頂、端墻等承載部件大都采用大型中空截面擠壓型材，整車(chē)結(jié)構(gòu)由這些型材焊接、鉚釘或螺栓連接而成，中空鋁合金型材斷面如圖1所示，型材四周壁厚3mm左右，中間筋厚2-2.5mm，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是為了減少焊接變形。使用大型擠壓型材，進(jìn)行熱處理后，其機(jī)械性能有很大的提高。大型擠壓型材的組合使車(chē)輛制造時(shí)焊接大量減少，但制造成本增大。鋁合金車(chē)體、車(chē)體底架、車(chē)頂斷面形式如圖1所示。

三、模態(tài)分析理論

四、鋁合金車(chē)體模態(tài)分析

車(chē)體結(jié)構(gòu)模態(tài)是評(píng)價(jià)車(chē)輛運(yùn)行安全性和乘坐舒適性的一個(gè)重要參數(shù)。模態(tài)分析，可以預(yù)測(cè)車(chē)體在某一頻域內(nèi)各階模態(tài)的固有頻率及其相應(yīng)的振型，以評(píng)定其動(dòng)態(tài)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

（一）車(chē)體有限元模型

車(chē)輛長(zhǎng)度19.2 m，車(chē)體外側(cè)最大寬度2.9m，車(chē)頂外側(cè)最大寬度2.6 m，車(chē)輛定距12.6 m，車(chē)頂距軌面3.7m，底板距軌面1.1m。本文研究的車(chē)體為B 型地鐵鼓形車(chē)體，是由大型中空鋁合金擠壓型材全焊接而成的整體框架式承載結(jié)構(gòu)，主要由底架、左右側(cè)墻和頂蓋組成。采用ANSYS軟件建立車(chē)體的有限元模型， 由于鋁合金車(chē)體的零部件基本上都是薄壁構(gòu)件， 車(chē)體結(jié)構(gòu)采用殼單元shell63模擬，懸掛設(shè)備和內(nèi)裝用質(zhì)量單元mass21進(jìn)行模擬，盡可能細(xì)致地離散車(chē)體。計(jì)算時(shí)取：楊氏彈性模量E=70GPa；泊松比μ=0.33；質(zhì)量密度ρ=2710。圖2為鋁合金地鐵車(chē)體有限元模型。

（二）兩種工況

工況一：為獲得鋁合金車(chē)體固有屬性，該工況下車(chē)體未施加任何約束及載荷，該工況下沒(méi)有加強(qiáng)側(cè)墻支撐梁與底架的連接，也沒(méi)有加強(qiáng)底架橫梁與底架邊梁之間的連接。經(jīng)過(guò)計(jì)算，去掉車(chē)體剛體模態(tài)后，車(chē)體前6階模態(tài)見(jiàn)表1，車(chē)體對(duì)應(yīng)的前6階模態(tài)變形形狀如圖3。

工況二：在工況一的基礎(chǔ)上，用U型梁加強(qiáng)每個(gè)側(cè)墻車(chē)門(mén)處支撐梁與底架的連接，用橫梁加強(qiáng)車(chē)門(mén)處底架縱向梁與底架邊梁之間的連接以提高車(chē)體的剛度。進(jìn)行車(chē)體模態(tài)分析， 車(chē)體前6階模態(tài)見(jiàn)表1，車(chē)體對(duì)應(yīng)的前6階模態(tài)變形形狀如圖3。

（三）計(jì)算結(jié)果及分析

鋁合金車(chē)體固有屬性， 該工況下車(chē)體為獲得鋁合金車(chē)體固有屬性， 該工況下車(chē)體彎曲未。

計(jì)算結(jié)果所有固有頻率均滿足《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（TB/T1335-1996）中對(duì)車(chē)體垂向彎曲振型頻率高于10hz的要求[4]；兩種工況的計(jì)算結(jié)果均反映了側(cè)墻與車(chē)頂、側(cè)墻與底架的連接剛度不夠；對(duì)工況一車(chē)體進(jìn)行加強(qiáng)后振型不變，橫向和垂向頻率均有所提高，說(shuō)明可加強(qiáng)側(cè)墻與底架的連接及底架邊梁與縱梁的鏈接提高車(chē)體的橫向剛度和垂向剛度；僅對(duì)側(cè)墻和底架連接加強(qiáng)而沒(méi)有加強(qiáng)側(cè)墻和車(chē)頂鏈接的工況二的側(cè)墻振型頻率提高較車(chē)頂明顯，可分析出，如果對(duì)車(chē)頂和側(cè)墻進(jìn)行加強(qiáng)使側(cè)墻、車(chē)頂、底架形成加強(qiáng)的封閉結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高整體的剛度效果可能會(huì)更顯著。

五、結(jié)語(yǔ)

模態(tài)振型能反映車(chē)體的振動(dòng)形式，通過(guò)模態(tài)分析能夠找出車(chē)體薄弱之處，為最優(yōu)化提高剛度和車(chē)體輕量化提供理論支持；從分析可知，應(yīng)當(dāng)對(duì)側(cè)墻和底架、側(cè)墻和車(chē)頂?shù)倪B接進(jìn)行加強(qiáng)，并優(yōu)化焊接工藝，提高其剛度和壽命；影響鋁合金車(chē)體的固有頻率的因素主要是其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布，車(chē)體需要綜合考慮其輕量化和最低剛度要求，在減小車(chē)體質(zhì)量的同時(shí)，使車(chē)體整體振型頻率基本滿足最小振型頻率，并通過(guò)對(duì)關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)的方式使之滿足最低剛度要求，確保輕量化和安全舒適性的統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝小海譯.鐵道車(chē)輛車(chē)體的輕量化和高剛度化技術(shù).國(guó)外機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2011

[2] 張洪恩譯. 鋁合金車(chē)體. 國(guó)外鐵道車(chē)輛. 1986.（3）

[3] 劉堂紅，江帆.基于ANSYS的耐沖擊性客車(chē)車(chē)體模態(tài)分析.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2002（6）

[4] TB/T 1335-1996，鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范