某地鐵車體靜強度分析及試驗驗證

李婭娜+張宇婷+韓肖

摘要：為優化某地鐵中間車結構，縮短設計周期，建立車體有限元分析模型；依據EN 12663-2010標準，計算車體有限元模型在主要工況下的應力分布，并將仿真結果與試驗數據進行對比分析.大多數點的仿真結果與試驗數據很接近，誤差大多數在10%以內，表明計算建模可靠；同時發現個別誤差較大點所在位置，分析誤差產生的原因.

關鍵詞：地鐵； 車體； 有限元； 應力； 試驗

中圖分類號： U270.33； TB115.1

文獻標志碼： B

Abstract：To optimize the structure of a subway middle car and shorten the design cycle， a finite element analysis model of car body is built. According to the standard EN 12663-2010， the stress distribution of the finite element model is calculated in the main cases， and the simulation result is compared with the test data. The simulation results of most of the points are very close to the test data and the most errors are within 10%. It shows that the model for calculation is reliable. At the same time， a few points with large error are located and the causes are analyzed.

Key words：subway； car body； finite element； stress； test

0 引 言

隨著城市人口的急速增長，地面車輛增加較快，交通擁堵現象嚴重.地鐵車具有運量大、速度快、運營模式靈活以及節約地面空間等優勢，對大城市交通的積極作用日益被人們所認識.[1-4]隨著軌道車輛輕量化和高速化的需求及鋁型材加工技術的不斷提升，作為地鐵車的一種新思路，鋼鋁混合車以其集合鋁材料質量輕和鋼材料強度高兩者的顯著優點[5]，在世界各國城市交通和鐵道運輸領域得到越來越廣泛的應用.

有限元分析已被證明是一種經濟有效的設計分析手段.[6]有限元分析的正確性和精確性依賴于分析全過程每個環節誤差的控制，及其環環相扣的誤差積累程度，可能的誤差包括：1）幾何模型本身的誤差，例如車體各部分板厚、焊接關系以及部件之間的連接關系；2）幾何模型在有限元離散過程中產生的誤差，包括網格的離散、連接關系的處理、邊界條件的近似和載荷條件的近似等多種因素；3）有限元分析中代數方程組求解過程中產生的誤差，例如單元剛度矩陣數值積分、迭代求解的近似計算誤差、計算機的舍入誤差等；4）有限元計算軟件系統的編程誤差.要獲得正確可靠的分析結果，每一階段的誤差都不能忽視.[7]

對復雜結構進行有限元分析，判斷分析結果準確性的重要指標是其計算結果與試驗數據的符合程度.針對地鐵列車車體的結構和承載特點，基于有限元建模軟件HyperMesh和性能分析軟件ANSYS，建立某地鐵中間車體有限元模型，根據相關標準分析評價車體結構的靜強度，并將車體靜強度5個工況的仿真結果與試驗的測點數據進行對比分析，討論仿真結果與試驗數據之間差異的影響因素.

1 車體結構特點

該地鐵車體的主體結構由底架、側墻、端墻和車頂組成.車體基本結構是底架無中梁的鋁合金整體承載焊接結構，側墻斷面為鼓形.側墻、端墻和車頂為鋁合金結構，底架為鋼鋁混合結構，其中緩沖梁、枕梁為鋼結構，其余如地板、橫梁等為鋁合金結構.整體采用筒形結構，傳力結構為整體承載方式，即車體關鍵受力部位在承受外部變載荷后，通過焊接在一起的型材將外部載荷傳遞到車體各個部位，進而車體發生相應變形.[8-10]車體進行組裝時，車頂、側墻、端墻和底架結構間采用焊接方式連接，鋁合金結構與鋼結構之間鉚接連接，確保連接可靠.

2 車體結構有限元計算

2.1 車體有限元模型

根據該地鐵車幾何模型進行有限元網格劃分，具體建模描述如下.

1）車體大部分結構，如車頂、側墻、端墻、底架等，采用4節點薄殼單元（SHELL181）模擬，充分考慮橫向的剪切剛度.作為承載的主要結構，車體底架劃分網格時使用較小的網格，尺寸為15～20 mm.車頂側墻中部結構比較規則，除窗角、門角外應力一般不太大，因此采用較為稀疏的網格，尺寸為20～30 mm.

2）車體上鋁合金結構和鋼結構存在鉚接工藝，建模時用BEAM188單元模擬；鋁合金型材搭接部位的焊接關系用RIGID剛性單元模擬.

3）車體模型無重力加速度，車體鋼結構質量用質量單元的形式平鋪在地板面上，以完全模擬試驗過程.車頂2組空調質量均為0.7 t，用質量單元MASS21模擬，并用RBE3單元吊在車頂相應位置，其他設備以質量單元的形式平鋪在地板面上.

2.3 計算載荷工況和約束

根據EN 12663-2010標準，對該地鐵車以5種工況進行仿真試驗，并對結果進行數據對比.各載荷工況施加見表1.工況1～4采用的位移約束均為：二位端車鉤座處約束縱向位移；中心銷處約束橫向位移；4個空氣簧處約束垂向位移.工況5采用的位移約束為：二位端車鉤座處約束縱向位移；二位端中心銷處約束橫向位移；二位端2個空氣簧處約束垂向位移；一位端復軌位約束垂向位移.

工況編號工況名稱載荷說明

1超員載荷（1.3×AW3）工況垂向載荷：1.3×（整備狀態下的車輛自重+ 超載時的乘客質量）

2壓縮組合

工況壓縮載荷：壓縮力800 kN（沿車體中心線施加在車鉤處）

垂向載荷：整備狀態下的車輛自重 + 超載時的乘客質量

3拉伸組合

工況拉伸載荷：拉伸力640 kN（沿車體中心線施加在車鉤處）

垂向載荷：整備狀態下的車輛自重+ 超載時的乘客質量

4二位端部腰帶高度壓縮工況壓縮載荷：壓縮力300 kN（沿車體中心線施加在二位端腰帶高度）

垂向載荷：整備狀態下的車輛自重

5復軌工況垂向載荷：1.1×（整備狀態下的車輛自重+轉向架的質量7 t）（轉向架質量施加于二位端中心銷處）

2.4 仿真計算結果分析

使用ANSYS軟件對有限元模型進行計算，通過對該車體的靜強度進行分析，5種計算載荷工況下的最大von Mises應力均小于材料的許用應力，該地鐵車體的靜強度滿足設計要求.以上5種工況下車體的最大應力及其發生部位見表2.

3 仿真計算與試驗數據對比分析

3.1 車體靜強度試驗概況

在樣車的靜強度試驗中，空調質量以配重方式施加到空調位置，吊裝和內裝結構質量通過配重進行補償，均布載荷通過多個氣缸垂直施加在枕木上，最終傳遞至車體地板.以超員載荷（1.3×AW3）工況為例，垂向載荷試驗步驟為：1）傳感器信號清零；2）逐步施加垂向載荷，使車體總質量為

m0；3）采集數據；4）逐步施加垂向載荷，使車體總質量等于m1；5）采集數據；6）逐步施加垂向載荷，使車體總質量等于m1+m2；7）采集數據；8）逐步施加垂向載荷，使得車體總質量等于1.3（m1+m2）；9）采集數據；10）卸掉垂向載荷；11）檢查傳感器信號是否回到零位.其中：m0為準備好用于試驗的車體質量；m1為整備狀態下的車體質量；m2為最大有效載荷.因篇幅有限，其他工況垂向載荷的試驗步驟不詳細說明.縱向載荷通過縱向加載設備施加在相應部位.車體靜強度試驗的現場照片見圖2.

試驗樣車車體上共安裝185個單向應變片，8個三向應變片，測試的總體布點見圖3，部分主要布點見圖4.這些測試點中大部分采用二向應變片，僅在一些受力復雜的部位需用三向應變片.在有限元模型中找到與試驗時貼片位置大體相一致的點進行結果對比，確保結果可靠.

3.2 仿真計算與試驗數據對比分析

試驗結束后，根據試驗報告提取各個測點的應力，選擇測試應力值較大的點，對計算結果和試驗數據進行對比分析，繪制直方圖，見圖5～9.

由該地鐵中間車車體靜強度試驗結果與仿真計算結果對比可以看出，2種結果具有很好的一致性，說明車體性能仿真模型可以很好地反映車體結構的實際傳力特性和車體的實際承載能力.總體來看，多數點的試驗結果與仿真結果很接近，誤差大多在10%以內，但個別測點誤差較大，具體為：在工況1和2中，測點A30誤差分別為44.32%和24.58%，主要原因是由于窗邊型材結構簡化；在工況2和3中，測點A32誤差分別為10.33%和30.28%，誤差原因可能是窗邊結構簡化與實際結構有一定差異；在工況4和5中，測點B06誤差分別為18.52%和14.12%，焊縫附近測點誤差較大的原因可能是門角焊的焊角焊高等特征在有限元模型中并未體現，使得焊縫附近的力的傳遞路線有所改變；在工況4中，測點E13誤差為27.64%，原因可能是枕梁下蓋板與邊梁焊接處過渡圓弧簡化.

此外，板材加工誤差和車體裝配誤差，應變片漂移的影響和測試區域應力梯度的變化等不可控制因素都會使試驗結果與仿真結果產生一定誤差.

4 結 論

1）對某地鐵中間車車體建模計算，車體5種靜強度的von Mises應力值小于材料的許用應力，車體結構強度滿足設計要求.

2）根據試驗數據，進行仿真分析結果與試驗數據的對比分析，發現兩者具有很好的一致性，因此，所建立的有限元仿真模型能有效反映車體結構的實際傳力特性以及車體的實際承載能力.

3）由于建模過程中簡化部分圓角過渡區域，如門角和窗角等，使得計算應力與測試應力的誤差超出10%，所以在對車體進行有限元仿真時，應重點關注這些部位.

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（編輯 武曉英）