某地鐵車輛車體結構設計及靜強度計算與試驗

王新磊

摘要：通過有限元仿真方法，在車體滿足整機功能要求和使用要求前提下盡可能進行減重設計，并對試驗結果和計算結果進行對比分析，總結誤差原因，指導類似車輛車體的設計。

關鍵詞：車體;剛度;強度;有限元

隨著經濟的快速發展和城市化進程，地鐵以其運量大、速度快、安全、舒適、準點、節能等特點得到了快速發展[1]。

本文涉及一種地鐵線路養護施工工程車輛車體，其作為承載傳力部件，受各種機構、定距及軸重的限制和制約，局部幾何形狀比較復雜，設計時借助有限元分析[2]，按照整機的基本布局進行車體的結構設計，并委托具有資質的第三方測試公司，對車體按相關標準[3-5]進行了試驗，通過對有限元分析結果和試驗結果進行對比分析，總結出一套適用本種類型車體的計算方法。

1 車體方案結構設計

因為地鐵車輛軸重的限制，既為了減重，又為了車體的強度和剛度能滿足相關要求[3-5]，車體設計成上部車廂和下部底架焊接一體承載的整體承載式結構。車廂主要由不同厚度的矩形管或方管和U型折彎件構成框架，并采用2.5mm厚的鈑金斷續焊接，因組裝和部件功能需求到處開孔，底架主要由左右焊接H型鋼和前后部組成框架結構，枕梁為箱型梁，為安裝各個部件在底架內分布若干橫梁和縱梁，為安裝工作裝置底架中部有一定的上拱，車體的結構如圖1所示。

車體長度為18200mm，寬度2460mm，定距12200mm，重量約11.3t，底架材料為Q420D，車廂鈑金材料為SPCC，其余為Q355B，板厚均不大于16mm，材料參數如表1所示。

2車體結構有限元分析及優化

2.1車體有限元模型

利用HyperMesh仿真軟件[6]建立有限元模型，兼顧計算量和計算精度，單元選用4節點四邊形殼單元shell181，針對不同的矩形管、板等設置不同的截面參數，在建模過程中忽略一些小孔、圓弧等細節，并對重點區域進行網格細化，整個車體共582746個節點，597068個單元。

2.2 計算工況及加載

根據相關標準規定[3-5]，車體最主要的測試試驗為垂向剛度試驗和過軌工況下的縱向拉伸、壓縮試驗。因此本次計算針對以下幾種工況進行計算，具體如表2所示。

其中，車體的垂向剛度要滿足標準[3]中的公式：

式中： 為中梁或側墻中央撓度; 為車輛定距。某地鐵車輛車體心盤定距為12200mm，因此其垂向最大變形不能大于13.6mm。

計算得到的當量應力 不應超過材料的許用應力，當量應力公式如下：

式中： 是當量應力，MPa; （ =1，2，3）表示主應力，MPa。

車體上部各個設備質量用mass質量單元來模擬。

垂向靜載荷為車體的整備質量，即車體的自重與車體上所有設備重量之和。拉伸合成載荷包括縱向拉伸載荷、扭轉載荷、側向力載荷、垂向靜載荷和動載荷，壓縮合成載荷類似。根據標準要求[3-5]，縱向拉伸載荷為980kN，縱向壓縮載荷為1180kN，扭轉載荷為40kN·m，側向力載荷取垂向靜載荷的10%，垂向動載荷等于垂向靜載荷與垂向動載荷系數的乘積，垂向動載荷系數的計算公式為

式中： 是垂向動載荷系數; 為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，取59mm; 是車輛的運行速度，取100km/h; 為系數，取值為0.05; 為系數，取值為1.65; 為系數，簧上部分取值為1.50; 為系數，簧上部分取值為0.427。可以計算出垂向動載荷系數為0.202。

3車體靜強度試驗

某地鐵車輛車體靜強度試驗委托具有資質的第三方檢測公司在廠內完成，根據車體的實際工況與受力情況分別進行加載實驗[3]。車體的部分應力測試點布置如圖2所示。在測試點處貼單向應變片。

車體的垂向靜載荷用25kg/袋的砂袋和不同重量的配重塊代替，試驗現場如圖3所示。

4試驗結果與計算結果對比分析

4.1 垂向剛度

表3列出了有限元計算和試驗得到的垂向靜載荷下最大撓度值。

表3和圖4中負值代表變形是垂直向下的，從表3和圖4可以看出，垂向靜載時車體的仿真計算和試驗最大撓度值都低于13.6mm，車體的剛度是符合標準[3]要求的。計算結果和試驗結果的誤差很小，吻合度較好，存在差異的主要原因是因為車體鈑金件和框架是斷續焊接的，有限元模型和車體的實際情況存在差異造成的。

4.2 強度情況

試驗測試時應力測點是單向應變片布置，所以計算應力也取相同位置和應變片布置方向相同的應力，所以下表4和表5中，正值代表拉伸應力，負值代表壓縮應力。拉伸工況下車體應力大點的試驗測試結果和對應的有限元計算結果如表4所示，測點的對應圖見圖2。

由表4可得，在拉伸工況下，車體最大試驗應力為-198.8MPa，應力值均小于材料的許用應力，結果表明，在拉伸組合工況下車體強度是符合設計要求的。通過測試應力和計算應力對比，發現在中間截面應力值吻合較好，前后部和側墻應力相對差一點，這里一是因為本身建模上和實際存在一定差異，二是因為組合工況是多個工況的疊加，累積下來導致誤差偏大。下圖5給出了車體在拉伸工況下的當量應力分布圖，從圖上可以看出車體的應力主要分布，其結果和測試結果也能對應上。

表5給出了壓縮工況下部分測試點有限元計算結果和試驗結果的應力值。

從表5中可見，壓縮工況下最大試驗應力為232.8MPa，應力值都在材料的許用應力范圍之內。通過測試應力和計算應力對比，發現應力值吻合較好，計算偏差不大。下圖6給出了車體在壓縮工況下的當量應力分布圖，從圖上可以看出車體的應力主要分布，其結果和測試結果也能對應上。

5結論

（1）車體的靜強度試驗結果表明某地鐵車輛車體的結構設計合理，強度和剛度能滿足相關標準要求。

（2）通過試驗結果和計算結果對比發現，有限元模型和計算方法基本合理，可以指導車體設計，特別是地鐵車輛等對軸重限制比較嚴格的車輛上，通過有限元仿真計算可以起到很好的減重作用。

（3）優化有限元模型和計算方法，使試驗結果和計算結果吻合的更好。

參考文獻：

[1] 張振淼.城市軌道交通車輛[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2] 孫海霞，戴金濤，姜偉等.有限元法在機械工程中的應用與發展[J].科技創新導報，2011（3）：84.

[3] TB/T1335-1996.鐵道車輛強度設計及鑒定規范[S].

[4] GB/T25337-2018.鐵路大型養路機械 通用技術條件[S].

[5] GB/T25336-2018.鐵路大型養路機械 檢查與試驗方法[S].

[6] 賀李平，肖介平，龍凱.ANSYS14.5與HyperMesh12.0聯合仿真有限元分析[M].北京：機械工業出版社，2014.