閉口型材磁浮車(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

張 文 丁旺才 李國(guó)芳 張學(xué)山

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力工程學(xué)院，210031，南京;2.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，730070，蘭州;3.北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司，100029，北京∥第一作者，助教)

城市軌道交通的發(fā)展為現(xiàn)代城市緊張的交通提供了很多便利，磁浮車(chē)輛作為城市軌道交通方式的一種，也受到了一定程度的重視。我國(guó)從20 世紀(jì)80年代起就開(kāi)始了對(duì)磁浮技術(shù)的研究，如今，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始自主研發(fā)磁浮車(chē)輛。

北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司是我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮交通系統(tǒng)供應(yīng)商。公司以技術(shù)研發(fā)、工程管理、車(chē)輛制造、服務(wù)體系為基礎(chǔ)，依托工程化體系合作單位，實(shí)現(xiàn)了交鑰匙工程的磁浮交通系統(tǒng)建設(shè)模式。

本文以北控磁懸浮公司的車(chē)輛為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

目前城市軌道交通車(chē)輛的車(chē)體主要由大型中空鋁型材組成，又稱(chēng)為閉口型材或者雙殼結(jié)構(gòu)。中空材料根據(jù)材料本身所具有的面外剛度高的特性，可以省略在單殼結(jié)構(gòu)中必須使用的加強(qiáng)材料，從而能夠減少零部件數(shù)量，簡(jiǎn)化工藝。因此，在進(jìn)行磁浮車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)亦采用閉口型材。

1 閉口型材車(chē)體強(qiáng)度分析

1.1 閉口型材車(chē)體有限元模型

根據(jù)磁浮車(chē)輛車(chē)體的實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，建立了閉口型材車(chē)體有限元模型，參見(jiàn)圖1。

圖1 整車(chē)模型

1.2 載荷加載

根據(jù)磁浮車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的受力情況，本文設(shè)計(jì)了14 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況，如表1所示。

表1 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

1.3 靜強(qiáng)度計(jì)算

將經(jīng)Hypermesh 軟件處理完成的有限元模型導(dǎo)入Ansys 軟件中進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)Ansys 軟件的靜強(qiáng)度分析，得到了14 種工況下應(yīng)力及應(yīng)變的云圖，下面僅列出車(chē)體模型部分部位最大應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度的云圖。

在第1 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況中，中梁與端梁的連接處(如圖2所示)最大應(yīng)力為459.222 MPa，超過(guò)了此處的材料屈服強(qiáng)度(215 MPa)。

在第2 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況中，中梁與端梁連接處的最大應(yīng)力為371.888 MPa，超過(guò)了此處的材料屈服強(qiáng)度(215 MPa)，如圖3所示。

在第6 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況中，即提升整個(gè)車(chē)輛的強(qiáng)度與變形情況，司機(jī)室門(mén)柱下角(如圖4所示)，最大應(yīng)力為319.663 MPa，超過(guò)了此處的材料屈服強(qiáng)度(215 MPa)。

在第12 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況中，中梁與端梁連接處的最大應(yīng)力為460.248 MPa，超過(guò)了此處的材料屈服強(qiáng)度(215 MPa)，如圖5所示。

圖2 第1 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力云圖

圖3 第2 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力云圖

圖4 第6 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力云圖

圖5 第12 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力云圖

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

由上述強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可知，工況1、2 和12 中出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大，而且應(yīng)力集中部位發(fā)生在中梁與端梁連接處。經(jīng)分析認(rèn)為，中梁C 形槽的游離邊的尖點(diǎn)與端梁相接處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

工程上經(jīng)常有以下3 種處理方法:一是切除C 槽游離邊;二是切斷中梁與端梁的聯(lián)系;三是加截面均勻變化的筋板來(lái)消除應(yīng)力集中。考慮到切除C 槽游離邊只是將應(yīng)力集中點(diǎn)轉(zhuǎn)移，而中梁是車(chē)體上傳遞縱向力的重要部件，所以做了部件結(jié)構(gòu)上的改動(dòng)，改進(jìn)前、后中梁端連接處的結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。

圖6 改進(jìn)前中梁端梁連接處的結(jié)構(gòu)

圖7 改進(jìn)后中梁端梁連接處的結(jié)構(gòu)

在第6 種工況中司機(jī)室門(mén)柱的下角也發(fā)生了應(yīng)力超標(biāo)的情況。經(jīng)分析，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，此處是在邊梁端部進(jìn)行局部切除后截面突然變小的部位。為了消除應(yīng)力集中在此部位增加了過(guò)渡圓角。改進(jìn)前、后司機(jī)門(mén)柱結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示。

圖8 改進(jìn)前的司機(jī)室門(mén)柱結(jié)構(gòu)

圖9 改進(jìn)后的司機(jī)室門(mén)柱結(jié)構(gòu)

3 優(yōu)化后車(chē)體的強(qiáng)度分析

將優(yōu)化后的車(chē)體模型導(dǎo)入Ansys 軟件中進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)所有部位的應(yīng)力值都降到了材料屈服應(yīng)力值以下。

現(xiàn)將優(yōu)化后車(chē)體的強(qiáng)度分析結(jié)果列出，僅列出之前應(yīng)力超標(biāo)的第1、2、6、12 種工況下應(yīng)力云圖如圖 10～圖 13所示。

4 結(jié)語(yǔ)

在研究過(guò)程中，車(chē)體強(qiáng)度計(jì)算是車(chē)輛設(shè)計(jì)過(guò)程中最為重要的一部分，因此，本文通過(guò)Ansys 軟件對(duì)磁浮車(chē)輛有限元模型進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析。

圖10 第1 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力云圖

圖11 第2 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力云圖

圖12 第6 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力云圖

圖13 第12 種靜強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力云圖

(1)根據(jù)磁浮車(chē)輛的受力情況，本文設(shè)計(jì)了14種靜強(qiáng)度分析的工況，計(jì)算了閉口型材車(chē)體的應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，在工況1、2、6、12 中出現(xiàn)了車(chē)體部位應(yīng)力過(guò)大的情況。

(2)根據(jù)計(jì)算所得的應(yīng)力值，對(duì)出現(xiàn)最大應(yīng)力的部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，并將改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的車(chē)體消除了之前出現(xiàn)的應(yīng)力過(guò)大的情況。

車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要以滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的條件為基礎(chǔ)，本文作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)部分為磁浮車(chē)輛的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。

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