上海軌道交通15號線車體結構有限元分析與試驗

上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245

1 車體結構

上海軌道交通15號線采用全自動駕駛車輛,有Tc、Mp、M三種基本類型車輛,列車編組形式為-Tc*Mp*M=M*Mp*Tc-,其中,-Tc*Mp*M=構成可動單元車組,Tc為帶司機室的拖車,Mp為帶受電弓的動車,M為不帶受電弓的動車。

上海軌道交通15號線為A型鋁合金車體,車體結構采用模塊化、輕量化、底架無中梁整體承載結構,能夠承受自重和載重垂直載荷、牽引制動縱向載荷,以及運行檢修中產生的斜對稱載荷[1-3]。車體材料主要選用大型中空擠壓鋁型材,車體使用壽命不短于30 a。設計過程中,利用有限元方法對車體結構進行靜強度、疲勞強度、剛度及穩定性分析,并進行相關優化[4-5]。

上海軌道交通15號線車體采用整體承載全焊接結構,大型型材通過機械加工下料焊接為底架、側墻、端墻、車頂四大部件,四大部件在車體總裝臺位焊接為車體。

車體結構設計時,為了使Mp車、M車車體結構件具有通用性,且Tc車車體可以借用Mp車、M車車體結構件,筆者以Mp車車體為例進行研究。車體斷面如圖1所示,三維模型如圖2所示,主要技術參數見表1。

圖1 車體斷面

圖2 車體三維模型

表1 車體主要技術參數 mm

車體底架為全鋁合金結構,由邊梁、鋁地板、枕梁、牽引梁、端梁等組成,如圖3所示。鋁地板由大斷面中空鋁合金型材焊接而成,與底架邊梁、端梁采用弧焊連續焊接而成。底架通過邊梁型材與側墻型材插口焊接,同時通過端梁型材與端墻型材插口焊接。枕梁具有車體與轉向架的接口結構,為車輛的重要承載部件。牽引梁具有車鉤安裝接口結構,枕梁和牽引梁與邊梁連接,通過邊梁傳遞載荷。

圖3 車體底架結構

車體側墻由側墻板、端立柱、側門門口立柱焊接而成。側墻板由大斷面擠壓鋁型材焊接而成,側門門口立柱采用中空擠壓鋁型材。

側墻通過最上部型材與車頂邊梁型材插口焊接,通過最下部型材與底架邊梁型材插口焊接,端部與端墻型材對接焊接。窗口四周鉚接補強梁。

車體車頂由邊梁、頂板、機組平臺、受電弓平臺焊接而成,通過邊梁型材與側墻型材插口焊接,端部與端墻型材對接焊接。車體車頂結構如圖4所示。

圖4 車體車頂結構

車體端墻采用型材結構,端墻型材分別與側墻型材端部、車頂型材端部、底架端梁型材插口焊接。

2 有限元分析

為了滿足車輛輕量化要求,車體結構在設計過程中采取了一系列減重措施,對此從計算力學角度對車體的靜強度、疲勞強度及剛度進行計算分析,驗證結構的合理性,并在此基礎上進行優化設計[6-8]。

2.1 靜強度

參考標準為EN 12663-1:2010標準[9],車體采用Hypermesh軟件進行有限元建模,采用ANSYS軟件進行仿真分析求解,采用Hyperview軟件進行分析結果的后處理。車體有限元軟件模型如圖5所示。

圖5 車體有限元模型

車體靜強度分析時共計算20種工況,其中部分關鍵工況的計算結果如表2及圖6～圖11所示。

表2 車體關鍵工況計算結果

圖6 車鉤座應力云圖

由有限元靜強度計算結果可以看出,各工況下的計算應力均小于所采用材質的許用應力,滿足EN 12663-1:2010標準的要求。

圖7 窗角應力云圖

圖8 車鉤座螺栓處應力云圖

圖9 腰身立柱應力云圖

2.2 疲勞強度

焊接結構的疲勞強度采用IIW-2008《焊接接頭與部件疲勞設計指南》中的鋁型材焊接疲勞強度壽命曲線進行評估,焊接等級參照IIW-2008進行取值,焊接等級許用應力對照IIW-2008中數值,應力范圍小于許用應力范圍的評估點累計損傷比不得大于1。

圖10 架車座應力云圖

車體疲勞強度共計算四種工況,分別為牽引制動工況、橫向振動工況、垂向振動工況、乘客上下車工況。各工況下的車體應力見表3,車體損傷比見表4。

圖11 牽引梁下蓋板應力云圖

表3 車體應力

表4 車體損傷比

經過分析計算,基于IIW-2008,在垂向振動、橫向振動、牽引制動、乘客上下車四個疲勞載荷工況下,母材與焊縫的累計損傷比最大為0.798,小于1,確認車體疲勞強度滿足要求。

2.3 剛度

分別計算空載與超載工況下車體底架邊梁的垂向最大位移量,以此校核車體結構是否滿足要求。車體底架邊梁位移云圖如圖12所示。

由圖12可見,在空載工況下,底架邊梁中部垂向靜撓度為4.61 mm;在超載工況下,底架邊梁中部垂向靜撓度為9.977 mm,均滿足規定的限值,車體剛度滿足要求。

圖12 底架邊梁位移云圖

3 靜強度試驗

車體靜強度試驗是驗證車體結構設計及選材的關鍵環節,也是驗證計算結果的有力依據。按照工況要求,分別對上海軌道交通15號線Tc車、Mp車車體進行試驗。試驗結果表明,車體各母材和焊接部位的應力值均小于材料的許用應力,滿足EN 12663-1:2010標準及技術規格中關于強度的要求。車體靜強度試驗現場如圖13所示。

4 結束語

在傳統A型車平臺的基礎上,對上海軌道交通15號線車體結構各模塊部件進行了優化,設計后相較傳統A型車車體,單節車質量減輕近300 kg,很好地實現了車體的輕量化[10]。通過有限元分析計算及靜強度試驗,證明上海軌道交通15號線車體結構在強度、剛度、疲勞性能等方面均滿足標準和合同要求,為后續類似車體的結構設計提供了參考。

圖13 車體靜強度試驗現場