有軌電車鋁合金車體設計

王樹才 林紅

摘 要： 首先，介紹了有軌電車鋁合金車體結構的設計思路、強度要求以及結構特點。然后，依據EN12663標準要求，利用有限元法對車體強度、剛度及模態進行了仿真計算。結果顯示車體結構能夠滿足設計要求。

關鍵詞：有軌電車；鋁合金車體；結構設計；強度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.034

有軌電車是中車四方車輛有限公司自主研發的膠輪承載、鋼輪導向式現代有軌電車，車體采用輕質鋁合金材。借助ANSYS仿真軟件，計算分析了垂向、拉伸、壓縮等8種工況[1]，結果滿足車體強度要求。

1 車體結構設計

1.1 概述

車體采用整體承載式全焊接結構。以大截面中空擠壓型材為主，個別部件采用板梁結構。車體強度滿足EN 12663-2010標準對于輕載有軌電車的結構要求：縱向壓縮載荷為200kN，縱向拉伸載荷150kN。

1.2 車體結構及主要技術參數

車體由車頂、底架、側墻和端墻組成，主要技術參數如下：

車體采用模塊化設計。模塊之間，如底架與側墻、側墻與車頂、端墻與車頂、端墻與側墻，拼接接頭采用搭接結構，確保車體具有較高的組裝工藝性；同一模塊內部型材與型材之間，則以插接接頭為主，確保獲得良好的焊接接頭性能。

1.3 底架設計

底架由邊梁、中部地板和端部地板組成，是整個車體的主要受力單元，不僅要承受垂向載荷，還要承受及傳遞車體的牽引力和制動力。采用大斷面中空擠壓型材組焊成型，共6種斷面，11塊型材。結構特點如下所述：

（1）中部地板包括3塊型材，插接接頭設計，上下面板采用不同厚度，充分滿足底架強度及剛度的同時亦最大程度地做到減輕自重。（2）中部底部與邊梁及端部地板均采用搭接接頭，便于底架結構尺寸公差的控制。（3）門口設加強梁，彌補結構突變造成的剛度不匹配。

1.4 車頂設計

車頂由中頂板、側頂板和邊梁組成，是車輛主要設備件的承載基礎，并可承受安裝設備人員的質量。采用大斷面中空擠壓型材組焊成型，共4種斷面，7塊型材。結構特點如下所述：

（1）由3塊型材插接而成中頂板不承受車頂設備重量，采取了減重設計并采用弧斷面，利于車頂排水并有益于車頂縱向剛度的提高。（2）中頂板與側頂板、側頂板與邊梁分別插接后再搭接而成，既利于車頂設備對側頂板和邊梁承載強度的要求，又便于調整車頂總成的寬度。

1.5 側墻設計

側墻由一二位側墻組成，兩側側墻完全對稱，且為適應現代有軌電車門窗布置密集、尺寸大的特點，側墻采用門、窗立柱形式，結構簡單，加工量小。門角、窗角等高應力區設大圓弧過渡的補強結構，避免應力集中。

1.6 端墻設計

端墻由端立柱、風擋立柱、端頂橫梁及端墻板組成，結構特點如下：

（1）端墻立柱及風擋立柱采用矩形截面梁，為型材一次擠壓成型，力學性能穩定。（2）端門上角采用大圓角過渡，避免應力集中。（3）端墻與車頂在頂部齊平，車頂兩側的積水可在車端順暢排出。

2 車體靜強度計算

根據EN 12663-2010，利用ANSYS仿真分析軟件，對車體進行了8個工況的計算。結果表明，所有工況下計算應力均小于材料的屈服強度，滿足設計要求。

3 車體剛度計算

依據標準[2]要求，在最大垂向載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉向架支撐點之間距離的1‰。車體兩支撐點之間的距離為7000mm，在表1計算工況1下，車體邊梁最大垂向位移小于7mm，車體剛度滿足設計要求。

4 模態分析

車體模態是評價列車運行安全性及舒適性的一個重要指標。在列車運行過程中，若車體模態與轉向架的固有頻率相差不多，則有可能引起車體的共振，振動的加劇將引起輪軌間作用力的加劇，輕則影響車輛的舒適性，嚴重時會危及車輛的行車安全。

表2為整備狀態下鋁合金車體的一階垂彎和一階扭轉。結果顯示，滿足車輛設計要求。

5 結束語

有軌電車車體采用輕質鋁合金材質，是基于車體輕量化設計的思路。車體結構除了要具有良好的組裝工藝性外，還應具有足夠的強度和剛度。經仿真分析計算，車體結構能夠滿足設計要求。

參考文獻：

[1]英國標準學會（GB-BSI）.鐵道應用-軌道交通車輛車體結構要求：EN 12663-1：2010[S].

[2]中國標準化管理委員會.地鐵車輛通用技術條件：GB/T 7928-2003[S].北京：中國標準出版社，2004：4.