地鐵不銹鋼車體靜強度分析及車頂結構改進

姜雪薇，孫麗萍，張健，劉亮亮，王玉艷

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

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地鐵不銹鋼車體靜強度分析及車頂結構改進

姜雪薇，孫麗萍，張健，劉亮亮，王玉艷

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

分析了某不銹鋼地鐵車車體結構的特點，通過對其結構的簡化，建立了該車體結構的有限元模型，借鑒了國內外的地鐵車輛技術標準確定了載荷工況，計算并分析了該車體結構在各個工況下的應力情況，結果表明該車車頂彎梁處應力集中，通過提出一系列的改進方案，并對改進后車體強度進行計算分析.計算結果表明改進后的車體結構應力分布均勻，車頂應力集中的現象得到改善.

不銹鋼；車體；靜強度；結構改進

0 引言

城市軌道車輛的車體主要分為不銹鋼車體和鋁合金車體兩種.由于不銹鋼材料具有輕量化、耐腐蝕、壽命周期長、環保、耐高溫等眾多優點，因此被廣泛應用于國內外的軌道車輛行業，并且在城軌車體中所占有的比重越來越大[1-3].車體結構作為車輛的載體，是整個車輛設計的基礎[4].本文對整車建立有限元模型，對車體進行了強度分析，并根據有限元計算的結果，對車體結構進行了改進設計.

1 車體結構簡介

本文以某B型不銹鋼地鐵車的中間車為例，進行強度分析計算.不銹鋼車體為薄壁筒型整體承載結構，由底架、側墻、端墻、車頂四大部分組成，采用了高強度輕型不銹鋼鋼板和低合金鋼，其中幾大部件采用焊接方式聯接成完整的車體，車體外金屬表面不涂裝[5].底架端部結構采用低合金鋼，由邊梁、橫梁、牽引梁、枕梁和緩沖梁等組成.側墻由上邊梁、下邊梁、側墻板、側墻門立柱和內層筋板等組成.端墻由門立柱、門橫梁、端墻板和端角立柱等組成.車頂分為平頂板和波紋頂板兩部分，平頂板用于安裝空調和受電弓裝置，波紋頂板與邊梁及彎梁通過點焊連接在一起，形成骨架結構[6].

2 計算模型的建立

在不銹鋼點焊車輛結構中，點焊焊核自身的尺寸非常小，在建立整車車體有限元模型時，可以將它們視為整體坐標系下的一個“點”，在外部載荷作用下，結構內各部件主要依靠這些“點”來傳遞力[7].

出于不銹鋼點焊車結構的“點傳力”特點、焊點的數量以及分析軟件的可執行性的考慮，采用20 mm左右的板殼單元離散車體鋼結構，并且利用三維實體單元模擬較重的車下吊掛設備.

圖1 整車有限元模型

由于該車焊點數目巨大，故采用軟件中的點焊單元模擬.全車模型包括1 420 080個單元和1452 071個節點，其中板殼單元為1 393 008個，六面體單元為3 348個，點焊單元為23 724個.整車有限元模型如圖1所示.

3 車體靜強度分析

3.1 計算載荷及工況設置

為考察地鐵車體的強度,根據車輛在使用過程中的實際情況,參照《EN12663：2010 鐵道應用-軌道車身的結構要求》標準來確定各計算載荷和工況.在所有計算工況下，車體各部件的最大Von.Mises應力均不得大于車體該部位所用材料的許用應力或屈服強度[8].共取10種載荷工況進行計算：空載工況；定員工況；超員工況；最大運轉載荷工況；垂向載荷加縱向壓縮載荷工況；垂向載荷加縱向拉伸載荷工況；一端提升工況；兩端提升工況；扭轉工況；三點支撐工況.

由于計算工況較多，因此選取最大運轉載荷工況為例進行分析說明.在該工況下，主要車體懸掛設備的重量按照集中載荷施加于設備重心位置，其他重量均布于車體底架地板,乘客重量均布于車體底架地板，底架空氣簧部位施加約束.載荷和約束施加方式如圖2所示.

圖2 載荷及約束施加示意圖

3.2 靜強度計算及分析

計算得到最大運轉載荷工況下車體的應力分布情況，車體的最大應力發生在車頂彎梁與側墻上邊梁的點焊連接處，應力值為827.3 MPa，大于其材料的屈服強度414 MPa.對結果進一步分析可知，側墻和底架的最大應力均小于對應材料的屈服強度.

根據上述計算結果可知，車頂的最大應力值超過了材料的屈服強度，車頂的載荷沒有有效地進行傳遞，車頂結構設計不合理，需要對車頂結構進行改進，車頂結構如圖3所示.

(a) 車頂彎梁結構

(b)焊點位置

4 車頂的改進與校核

由于不銹鋼車體的焊點排列密集，車體在承受外部載荷后，載荷通過數萬焊點將力傳遞至車體各部位，并由此產生車體各處的變形與應力[9].而該車車頂彎梁與側墻上邊梁只通過四個焊點搭接在一起，無法有效傳遞載荷，因此需要對車頂彎梁結構進行改進，使載荷可以有效地傳遞，使車頂最大應力值下降到小于其屈服強度，具體確定了以下三種改進方案.

4.1 改進方案一

車頂彎梁是不銹鋼車體車頂鋼結構中的關鍵部件，由于彎梁上的載荷沒有有效地傳遞到側墻，車頂彎梁與側墻上邊梁連接太薄弱，所以在每個車頂彎梁與側墻上邊梁連接處各加一塊補板，增加了車頂彎梁與側墻上邊梁連接處的焊點數，加強了車頂彎梁與側墻上邊梁的連接，使載荷可以更好地向下傳遞，由此得出改進方案一的結構，如圖4所示.對此方案的車體進行靜強度分析，根據應力云圖可以看出，車體的最大應力發生在車頂彎梁處，應力值為629.8 MPa(如圖5所示)，與原始結構相比最大應力值下降了200 MPa左右，但是仍不滿足設計要求，因此需要對車頂彎梁做進一步改進.

圖4 改進方案一示意圖

圖5 改進方案一車頂應力云圖

4.2 改進方案二

對原始結構和方案一結構的計算結果進行對比分析可知，在每個車頂彎梁與側墻上邊梁連接處各加一塊補板后，車頂彎梁處的載荷向外傳遞了一部分，表明通過在車頂彎梁與側墻上邊梁連接處加補板來減小車頂彎梁處的應力集中是可行的.但是大部分載荷依舊集中在車頂彎梁處，依舊不滿足應力要求，因此，需要對車頂彎梁的結構再進行改進.由于車頂彎梁采用帽形材或乙型材，考慮到帽型梁比乙型梁的連接關系好，因此可以將車頂的乙型梁改成帽型梁來增強車頂彎梁與側墻上邊梁的連接，但同時考慮到如果將車頂彎梁全部由乙型梁改成帽型梁，會使車體自重增加較大，出于車體輕量化的考慮，且最大應力只發生在二號門的車頂彎梁處，所以只將二號門的車頂彎梁由乙型梁改成帽型梁，由此得出改進方案二的車頂彎梁結構如圖6所示.

(a) 改進方案二的車頂彎梁結構

(b)改進方案二與原始車頂彎梁的截面對比圖

對此方案的結構進行車體靜強度分析，計算得到車體的應力分布情況，車體的最大應力發生位置與方案一相同，應力值下降了到了461.8 MPa，略大于其材料的屈服強度.此方案車頂彎梁處應力集中已經得到了較好的改善，但還需要稍加改進使車頂彎梁的最大應力值小于其屈服強度.

4.3 改進方案三

由方案二結構的計算結果可以看出，將二號門的車頂彎梁由乙型梁改成帽型梁后，二號門的車頂彎梁處的應力值略大于其材料的屈服強度，需要對二號門的車頂彎梁結構稍加改進.考慮到帽型梁的中間部分是中空的，所以在帽型梁發生問題的位置，加一塊補板來進行補強.由此得出改進方案三的車頂彎梁結構如圖7所示.對方案三的結構進行車體靜強度分析，根據應力分布情況可以看出，車體的最大應力不再發生在車頂，而是發生在側墻門立柱補板處，小于其材料的屈服強度，而車頂的最大應力發生在側墻上邊梁處，應力值為372.7 MPa，與方案二的車頂最大應力相比下降了100 MPa左右，小于其材料的屈服強度.在另外幾種工況下對改進方案三的結構進行計算，計算結果表明，無論在何種工況下，車體的最大應力值均未超過材料的許用應力或屈服強度.

圖7 改進方案三的車頂彎梁結構

三種改進方案與原始結構的應力分析對比結果如表1所示，從表中結果可以看出，原始方案的車頂最大應力大大超出了其屈服強度，通過前兩次的改進使車頂的最大應力值大幅度地下降，有效地降低了車頂彎梁的應力集中情況，最后通過對方案二稍加修改得出的方案三完全滿足設計要求，此方案的結構使得應力分布比較均勻，結構最為合理.并且，與原始結構相比，每次的改進都使側墻及底架的最大應力值有略微下降，說明改進后的結構受力方式更加合理，載荷分布均勻.

表1 幾種方案最大應力的對比結果 MPa

5 結論

本文對地鐵不銹鋼車體進行有限元分析，計算結果表明該車車頂原始結構設計不夠合理，提出了一系列改進方案，最終給出了一個結構合理、滿足力學性能的車頂改進方案.在改進過程中得到以下規律: (對于車頂彎梁與側墻上邊梁通過焊點搭接的結構，容易在彎梁處產生局部應力集中，可以在盡量不改變整體結構的前提下在彎梁與上邊梁的搭接處進行適當補強；(在車體結構的設計階段，梁柱的斷面形式以及載荷傳遞的有效性是需要考慮的重要問題，帽型梁與乙型梁相比，連接關系好，但自重大，可以只在車頂彎梁局部應力集中的部位采用帽型梁，而其他部位采用乙型梁，既可以有效減小局部應力集中又不會使車體自重增加較大.

[1]黃志宏,許彥強.不銹鋼車體結構設計及仿真分析要點[J].鐵道車輛,2012(6):14-17.

[2]謝素明,郭宗斌,高陽.不銹鋼點焊車體性能仿真模型的有效性分析[J].計算力學學報,2013,30(S1):35-40.

[3]BADDOO N R. Stainless steel in construction: A review of research, applications, challenges and opportunities[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2008, 64(11): 1199-1206.

[4]劉曉芳.不銹鋼地鐵車輛車體結構設計的要點分析[J].工業技術，2014(20):11.

[5]李培,孫麗萍.地鐵不銹鋼車體強度分析及試驗驗證[J].內燃機車,2011(4):17-20.

[6]張永強.城軌車輛不銹鋼車體結構優化[J].電子世界，2014(2):163.

[7]謝素明,穆偉,高陽.不銹鋼點焊車體結構穩定性分析及局部焊點布局優化[J].大連交通大學學報,2013,34(4):12-16.

[8] 英國標準學會.BS EN 12663-1:2010鐵路車輛車體的結構要求(第一部分:機車和客運車輛)[S].英國：[s.n.],2010.

[9] 謝素明,隋明東,李曉峰，等.不銹鋼點焊結構車體FEA建模方法[J].大連交通大學學報,2007,28(1):18-21.

[10] 于開平,周傳月,譚惠豐.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學出版社，2005:68-83.

Static Strength Analysis of Subway Stainless Steel Car Body and Its Roof Improvement

JIANG Xuewei,SUN Liping,ZHANG Jian,LIU Liangliang，WANG Yuyan

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

By analyzing the structure character of a metro vehicle stainless steel car body，a finite element model of the car body is established.Basing on the technical standards of the metro vehicle，the load cases of the car body are confirmed.Through analyzing the strain and stress in every load case and the mode of the car body，the results show that the original structure design of the roof bow is not reasonable.A series of improvement schemes are proposed,and each kind of improved scheme is calculated and analyzed.The final results show that the improved strength of the car body makes uniform stress distribution,and the phenomenon of stress concentration is improved.

stainless steel；car body；static strength；structure improvement

1673-9590(2016)04-0046-04

2015-12-06

姜雪薇(1990-)，女，碩士研究生；孫麗萍(1965-)，女，教授，碩士，主要從事車輛結構分析與現代設計方法的研究E-mail:slp@djtu.edu.cn.

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