地鐵鋁合金車體輕量化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹志浩

（青島中車電氣設(shè)備有限公司，青島 266000）

鐵道運(yùn)輸中，對(duì)車體的剛度有著很高的要求，現(xiàn)階段車體材料采用鋁合金。這樣不僅能保障車輛的強(qiáng)度，也符合輕量化設(shè)計(jì)的要求。文章介紹一款輕量化設(shè)計(jì)的B型鋁合金鼓形車體，用有限元模型對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作出了分析。

1 鋁合金車體的輕量化設(shè)計(jì)

鋁在地殼中的含量非常高，但強(qiáng)度較低，經(jīng)過合金化后，強(qiáng)度會(huì)得到顯著的提升。同時(shí)相比于鋼結(jié)構(gòu)，鋁的密度較低，因此鋁合金在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁合金車體設(shè)計(jì)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(shù)要是鋼的3倍，設(shè)計(jì)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(gè)零部件的連接中有焊接和鉚接等結(jié)構(gòu)。其中，焊接的難度較大，操作起來較為復(fù)雜，容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力[1]。

2 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該輕量化車體設(shè)計(jì)中，是由底架、車頂、側(cè)墻和司機(jī)室骨架等構(gòu)成的，采用鋁合金全焊接的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)型材設(shè)計(jì)

車體主體結(jié)構(gòu)占總質(zhì)量的80%，設(shè)計(jì)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(huì)增加其焊接的難度。在該設(shè)計(jì)中，為了保障焊接的安全程度，主體結(jié)構(gòu)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(shí)，會(huì)造成車頂重量增大。該設(shè)計(jì)中為了防止重量過大，對(duì)筋板的數(shù)量進(jìn)行了科學(xué)的調(diào)控。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)空調(diào)梁進(jìn)行了單獨(dú)設(shè)計(jì)，焊在長(zhǎng)梁上，在一定程度上節(jié)省了材料。

側(cè)墻板型材斷面用三角形截面，內(nèi)筋板2到3mm，外壁為3到4mm，保障了側(cè)墻平面程度。底架邊梁內(nèi)筋板厚度是3到4mm，外閉厚度在5mm左右，對(duì)底架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作出保障。長(zhǎng)地板中分布較多的U形槽，增加長(zhǎng)地板的設(shè)備懸掛能力[3]。端墻設(shè)計(jì)中采用整體的型材，以滿足其穩(wěn)定性要求。

2.2 司機(jī)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

司機(jī)室骨架結(jié)構(gòu)要有一定的強(qiáng)度和空間，并且要匹配頭罩，留出安裝空間。該設(shè)計(jì)中采用到流線形，對(duì)主橫梁和支撐立柱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，增加了兩者的焊接長(zhǎng)度，預(yù)留出頭罩粘接區(qū)域。焊接的區(qū)域避開門立柱的折彎區(qū)。司機(jī)室內(nèi)，主橫梁發(fā)生縱向擠壓時(shí)，會(huì)引起門立柱發(fā)生變形。為了防止門立柱出現(xiàn)變形的狀況，就要對(duì)來自主橫梁的縱向力進(jìn)行分散。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)三根彎?rùn)M梁，使得向門立柱的上方進(jìn)行傳力。彎?rùn)M梁設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jiǎn)化成幾何中面，離散為網(wǎng)格模型。模型中有196687個(gè)節(jié)點(diǎn)，殼單元有250688個(gè)。其中包括了245329個(gè)四邊形殼單元，5357個(gè)三角形殼單元和2個(gè)剛體單元[5]。

根據(jù)相關(guān)的標(biāo)磚，對(duì)鋁合金車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行考核。考核工況包括AWO空載工況、AW3超載工況，客室站立區(qū)域每平方米站9人、AW3超載空載工況下+800kN壓縮力、帶點(diǎn)轉(zhuǎn)向架四點(diǎn)駕車，單個(gè)轉(zhuǎn)向架5.75噸、牽引梁三點(diǎn)駕車，垂向AWO，一頂車點(diǎn)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(duì)工況結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(guān)的《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定，在最大的垂直載荷的作用下，車體靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn)距離的1%‰，該設(shè)計(jì)中的兩轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn)距離是12600mm，說明該設(shè)計(jì)車體符合剛度要求。按照設(shè)計(jì)工況出現(xiàn)概率和重要度對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行判斷。當(dāng)車體運(yùn)營(yíng)乘客的時(shí)候，安全系數(shù)就較高，為1.3，復(fù)軌架車工況等的安全系數(shù)相對(duì)較低，為1.1。但是因?yàn)椴牧弦约爸圃旃に嚨牟顒e，算出的結(jié)果和相對(duì)的安全系數(shù)有一定裕量[6]。

4 模態(tài)分析

利用模態(tài)分析能計(jì)算鋁合金車體的固有頻率，確定車體的振型。兩者是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。模態(tài)能對(duì)結(jié)構(gòu)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?yàn)橥饨缂ふ癞a(chǎn)生的不良動(dòng)態(tài)響應(yīng)。模態(tài)分析中用質(zhì)量塊模擬設(shè)備重量，加載在車體，使用拉格朗日算法。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)分為空車自由模態(tài)和整備狀態(tài)自由模態(tài)。

一般狀況下，轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)頻率在4到6Hz之間。該設(shè)計(jì)的鋁合金車體整備狀態(tài)下一階垂向彎曲頻率是9.82Hz，是轉(zhuǎn)向架振動(dòng)頻率的1.6倍，和轉(zhuǎn)向架不會(huì)發(fā)生激振現(xiàn)象，符合相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，文章中設(shè)計(jì)了B型鋁合金車體，通過有限元模型對(duì)還車體作出了分析，結(jié)果說明該車體的強(qiáng)度、剛度等方面都符合相關(guān)的要求。該車體的輕量化設(shè)計(jì)和司機(jī)室的骨架結(jié)構(gòu)為B型地鐵鼓形鋁合金車體的設(shè)計(jì)作出了參考。