基于有限元的模塊化地鐵軌道車車體結構設計

常天飛

（中車北京二七機車有限公司，北京100072）

0 引言

隨著我國軌道交通行業的迅速發展，軌道車輛的需求也與日俱增。系列化軌道車輛車體模塊的設計，可以保證設計和制造周期，滿足用戶的個性化需求，降低生產制造成本。通過有限元仿真計算指導車體結構設計，不僅能夠提高計算模型的準確度，同時可為車體的結構設計改進提供重要依據[1]。

1 車體結構

模塊化車體結構由牽引梁模塊、邊梁模塊、枕梁模塊、室體模塊與不同功率等級的機組梁模塊等組合，依據模塊化車體整車布局要求進行車體各部位設計，車體為大型板材和型鋼拼接組焊而成的框架式整體承載結構，能夠保證該車體結構具有足夠的強度和剛度。模塊化設計的目的是以品種、規格盡可能少的模塊組合成盡可能多的各種規格的產品，以滿足用戶的個性化需求[2]。

1.1 車體組成

車體主要由邊梁式承載結構車架、動力室體以及Ⅰ、Ⅱ端司機室組成。其中，司機室與車架為螺栓連接；車架和動力室使用的材料為Q345B和Q345E型材和板材，材料屬性如表1所示；車體側墻、車架的結構為插接和搭接形式，不僅提高了焊接性能，而且能保證車體組焊后的外形最大輪廓在要求的設計制造公差之內。

表1 主要材料及其材料屬性

簡化非承載結構，建立車體模型結構，如圖1所示。

圖1 車體模型

車體強度和焊接強度按照TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》[3]和EN 12663：2010《鐵路應用鐵道車輛車體結構要求》[4]標準要求進行設計。依據車體內各大部件的安裝方式進行車架的設計，盡量滿足模塊化各車型功率等級機組布置；同時，根據大部件的固定方式和檢修要求，布置側墻、隔墻、安裝座和機組梁的位置。

1.2 車架組成

車架主要由牽引梁、枕梁、邊梁、機組梁組成，邊梁在長度方向上縱向貫通，牽引梁和枕梁與邊梁組焊在一起，通過牽引梁、枕梁、機組梁的搭接接頭滿足車體寬度方向和縱向長度上的結構調整，有利于保證車體的整體結構尺寸。

1.3 室體組成

側墻由方形鋼管、折壓件和3 mm蒙皮板材組焊而成。其中，側墻上邊梁、百葉窗、玻璃窗的上下邊梁由型鋼和折壓件組焊而成，窗戶大小和位置可由模塊化的不同系列進行匹配布置，窗口是加工后組焊而成的。

主要設備及其重量如表2所示。

表2 主要設備及其重量

2 模塊化車體強度計算

根據車體模型設計并進行模型簡化，借助有限元計算對車體鋼結構進行剛度和強度校核，主要采用標準為EN 12663：2010《鐵路應用鐵道車輛車體結構要求》和TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》。

計算載荷工況如表3所示。

3 邊界條件

在車體結構強度有限元計算中，車體設備質量以質量單元的形式在計算模型中考慮，其他載荷根據載荷的作用方式分別以面載荷和節點載荷的形式作用于相關位置。約束條件根據不同的載荷工況具體確定，主要作用于轉向架和車體支撐面上。車體結構離散為三維殼單元、實體單元，設備質量離散為三維質量單元，設備質量與車體結構的連接采用三維梁單元模擬[5]。

表3 計算載荷和約束

4 車體靜強度計算結果

4.1 剛度計算結果

通過有限元軟件ANSYS進行分析，在工況1條件下，即1.3倍整備重量工況下，車架的垂向最大撓度為向下的4.22 mm，發生在牽引梁前端板部位，如圖2所示。結論：剛度要求滿足整車0～10 mm的要求。

圖2 工況1剛度結果

4.2 靜強度計算結果與分析

利用有限元分析軟件ANSYS，依據7個工況進行加載并約束后進行求解，得到工況1至工況7的計算結果。

強度分析：由圖3應力云圖可以看出，車體最大應力109MPa，位于Ⅱ端枕梁旁承部位，而材料的許用應力值為216 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

強度分析：由圖4應力云圖可以看出，車體最大應力145MPa，位于牽引梁從板處，而材料的許用應力為216 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

圖3 計算工況1應力云圖

圖4 計算工況2應力云圖

強度分析：由圖5應力云圖可以看出，車體最大應力209MPa，位于Ⅰ端動力室和車架連接處，該位置為應力集中區域，而材料的許用應力為216 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

圖5 計算工況3應力云圖

強度分析：由圖6應力云圖可以看出，車體最大應力258MPa，位于Ⅱ車體的吊車孔部位，而材料的許用應力為300 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

強度分析：由圖7應力云圖可以看出，車體最大應力247MPa，位于Ⅱ車體的吊車孔部位，而材料的許用應力為300 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

強度分析：由圖8應力云圖可以看出，車體最大應力209MPa，位于車體的動力室和車架連接處，而材料的許用應力為300MPa，因此，該工況下車架強度合格。

強度分析：由圖9應力云圖可以看出，車體最大應力177MPa，位于車架的旁承孔內部，而材料的許用應力為300 MPa，因此，該工況下車架強度合格。

在各計算工況作用下，對車體強度計算結果匯總如表4所示。

5 結語

圖6 計算工況4應力云圖

圖7 計算工況5應力云圖

本文結合鐵路行業的相關標準規范，詳細地對模塊化地鐵軌道車車體結構進行了剛度和強度工況的結構設計。針對軌道車車體組成的各模塊進行了詳細分析，確定了最大危險工況，在此基礎上，采用有限元方法，對車體結構進行了結構分析，得到了車架梁的應力分布狀況和變形狀況。分析結果表明，設計符合相應的標準要求。同時，本文的研究為模塊化地鐵軌道車車體結構的設計提供了重要的參考依據。

圖8 計算工況6應力云圖

圖9 計算工況7應力云圖

表4 各計算工況作用下車架靜強度計算結果匯總

[1]鮑維千.機車總體及轉向架[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2]吳昌華.赴西德實習考察報告之四——車體部分[J].國外內燃機車，1981（12）：46-53.

[3]鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范：TB/T 1335—1996[S].

[4]鐵路應用 鐵道車輛車體結構要求：EN 12663：2010[S].

[5]商躍進.有限元原理與ANSYS應用指南[M].北京：清華大學出版社，2005.