地鐵鋁合金車體輕量化設計與結構設計

曹志浩

（青島中車電氣設備有限公司，青島 266000）

鐵道運輸中，對車體的剛度有著很高的要求，現階段車體材料采用鋁合金。這樣不僅能保障車輛的強度，也符合輕量化設計的要求。文章介紹一款輕量化設計的B型鋁合金鼓形車體，用有限元模型對設計的結構強度作出了分析。

1 鋁合金車體的輕量化設計

鋁在地殼中的含量非常高，但強度較低，經過合金化后，強度會得到顯著的提升。同時相比于鋼結構，鋁的密度較低，因此鋁合金在生產中得到了廣泛的應用。鋁合金車體設計過程中要注意到車體的剛度問題，為了保障彎曲剛度，選取斷面系數要是鋼的3倍，設計中要充分考慮到鋁合金的斷面高和板厚度。鋁合金車體中各個零部件的連接中有焊接和鉚接等結構。其中，焊接的難度較大，操作起來較為復雜，容易產生較大的熱應力[1]。

2 車體結構設計

該輕量化車體設計中，是由底架、車頂、側墻和司機室骨架等構成的，采用鋁合金全焊接的結構。設計中的長度是19300mm，高度是3687mm，最大寬度是2800mm，門間距是4450mm，車倆定距為12600mm，車身自重為6.6噸[2]。

2.1 主體結構型材設計

車體主體結構占總質量的80%，設計中采用了大斷面中空型材，包括了車頂邊梁、門立柱和底架地板等。車體焊接使用MIG焊，鋁合金厚度的減小，會增加其焊接的難度。在該設計中，為了保障焊接的安全程度，主體結構中保障了型材的厚度。通常狀況下，車頂邊梁中用到大斷面、厚度較大的筋板時，會造成車頂重量增大。該設計中為了防止重量過大，對筋板的數量進行了科學的調控。結構設計中對空調梁進行了單獨設計，焊在長梁上，在一定程度上節省了材料。

側墻板型材斷面用三角形截面，內筋板2到3mm，外壁為3到4mm，保障了側墻平面程度。底架邊梁內筋板厚度是3到4mm，外閉厚度在5mm左右，對底架的結構強度作出保障。長地板中分布較多的U形槽，增加長地板的設備懸掛能力[3]。端墻設計中采用整體的型材，以滿足其穩定性要求。

2.2 司機室結構設計

司機室骨架結構要有一定的強度和空間，并且要匹配頭罩，留出安裝空間。該設計中采用到流線形，對主橫梁和支撐立柱進行設計時，增加了兩者的焊接長度，預留出頭罩粘接區域。焊接的區域避開門立柱的折彎區。司機室內，主橫梁發生縱向擠壓時，會引起門立柱發生變形。為了防止門立柱出現變形的狀況，就要對來自主橫梁的縱向力進行分散。設計中將主橫梁和縱梁相接，使得縱向力傳遞到車頂，在縱梁彎曲的前段設計三根彎橫梁，使得向門立柱的上方進行傳力。彎橫梁設計中，掌握好彎曲半徑、撐板和U型材截面[4]。

3 有限元模型

該設計中，按照車體型材和板材的厚度，利用仿真軟件，將三維模型簡化成幾何中面，離散為網格模型。模型中有196687個節點，殼單元有250688個。其中包括了245329個四邊形殼單元，5357個三角形殼單元和2個剛體單元[5]。

根據相關的標磚，對鋁合金車體的結構強度進行考核?？己斯r包括AWO空載工況、AW3超載工況，客室站立區域每平方米站9人、AW3超載空載工況下+800kN壓縮力、帶點轉向架四點駕車，單個轉向架5.75噸、牽引梁三點駕車，垂向AWO，一頂車點放開垂向約束、AWO空載工況下+縱向300kN的前窗壓力和AW空載工況下+縱向300kN后端墻壓力等。

通過對工況結果進行分析，發現在AW3超載工況下，底架邊梁的最大垂向位移是7.3mm。按照相關的《地鐵車輛通用技術條件》規定，在最大的垂直載荷的作用下，車體靜撓度不超過兩轉向架支撐點距離的1%‰，該設計中的兩轉向架支撐點距離是12600mm，說明該設計車體符合剛度要求。按照設計工況出現概率和重要度對安全系數進行判斷。當車體運營乘客的時候，安全系數就較高，為1.3，復軌架車工況等的安全系數相對較低，為1.1。但是因為材料以及制造工藝的差別，算出的結果和相對的安全系數有一定裕量[6]。

4 模態分析

利用模態分析能計算鋁合金車體的固有頻率，確定車體的振型。兩者是承受動態載荷結構設計的主要參數。模態能對結構整體或者局部的剛度作出判斷。為了使車體剛度得到提升，車輛符合剛度要求，減小因為外界激振產生的不良動態響應。模態分析中用質量塊模擬設備重量，加載在車體，使用拉格朗日算法。在進行計算時分為空車自由模態和整備狀態自由模態。

一般狀況下，轉向架的振動頻率在4到6Hz之間。該設計的鋁合金車體整備狀態下一階垂向彎曲頻率是9.82Hz，是轉向架振動頻率的1.6倍，和轉向架不會發生激振現象，符合相關的設計要求。

綜上所述，文章中設計了B型鋁合金車體，通過有限元模型對還車體作出了分析，結果說明該車體的強度、剛度等方面都符合相關的要求。該車體的輕量化設計和司機室的骨架結構為B型地鐵鼓形鋁合金車體的設計作出了參考。