不銹鋼新型車體強度分析

杜鵬成 張蕾 吳磊 蔣大旺 白盈春

摘要：車體強度計算是軌道車輛車體設計的關鍵設計驗證過程，計算分析結果可以作為證明車體設計方案合理的的有力依據，因此對軌道車輛車體設計來說有限元計算分析顯得尤為重要，本文參照《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范TB/T1335-1996》及《地鐵車輛通用技術條件-GB7928》的有關要求，對地鐵列車不銹鋼車體進行了有限元強度分析，通過對車體結構進行介紹說明并按照車體強度設計規范要求對車體主結構進行有限元計算分析，依據車體強度計算分析結果對車體結果設計是否合理做出評價說明。

關鍵詞：軌道車輛;車體;強度

1? 結構簡介

本計算研究對象采用不銹鋼材質的新型地鐵車輛。不銹鋼車體的外形采用鼓形斷面。車體由底架、側墻、端墻、車頂組成。車頂由波紋頂板、乙型梁、空調平頂等組成。側墻由側墻板、側墻立柱、內層筋板等組成。端墻由門立柱、門橫梁、端墻板、端角立柱等組成。底架由邊梁、橫梁、端部牽、枕、緩等組成。

該車輛的車體主要采用符合JIS4305標準的SUS301L系列的奧氏體不銹鋼，在部分的非承載結構部位也少量采用SUS304材質。SUS301L系列的不銹鋼材料具有強度剛度好、抗沖擊性好、耐腐蝕、熔點高以及易于實現車體輕量化的突出優點，受到國外如日本及西歐各國軌道車輛制造業的普遍重視并已有多年運用歷史，顯示出較強的競爭力。按照車輛設計目標，不銹鋼車體應有較高強度，各種工況下設計應力均不超過許用應力，因而使之在規定的最大載荷下不會產生永久變形，同時在30年的設計壽命周期內不會發生早期疲勞破壞。

2? 主要技術參數

軸重? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 14t

動車轉向架重量? ? ? ? ?2*6.887t

車體長度 ? 19000mm

車體最大寬度? ? ? ? ? ? 2800mm

轉向架軸距? ? ? ? ? ? ? ?12600mm

底架設備重量? ? ? ? ? ? 3t

空調重量? ? ? ? ? ? ? ? ? 2*0.65t

超員滿員? ? ? ? 325 人（乘客人均重量按60千克/人）

3? 強度計算載荷工況

3.1 靜力分析

計算采用大型通用有限元軟件ANSYS9.0軟件，按照《科教裝[2001]21號》中靜力分析中載荷及載荷組合工況的規定進行。

各單項載荷：

①垂向載荷。垂向靜載荷包括自重、載重、整備重量。作用在地板面上的均布載荷，采用自下而上的計算方法，即采用軸重倒算的方法：

a）地板面均布載荷

Fpz=（14×4-2×6.887-3-1.3）×9800/53200000

=0.006986N/mm2

b）下吊件載荷

Fcz1=3×9.8=29.4kN

吊件重量以集中載荷形式施加于其相應部位。

c）空調重量

Fcz2=0.65×2×9.8=12.74kN

空調重量以集中載荷形式施加在車頂端部的空調安裝座上。

垂向均布載荷+垂向集中載荷=42.23t

AW0=車輛自重-轉向架重量×2=35-13.774=21.226t

動車最大超員載客按325人計算，60kg/人

AW3=AW0+311×0.06=21.226+18.66=39.886t

垂向總載按39.9t加載。

②縱向壓縮載荷Fys

縱向作用車鉤箱800kN的壓縮載荷;

③縱向拉伸載荷Fls

縱向作用車鉤箱640kN的拉伸載荷。

載荷組合工況：

工況1—垂向載荷：載荷①

工況2—垂向總載+縱向壓縮：載荷②

工況3—垂向總載+縱向拉伸：載荷③

3.2 模態分析

對車體作整備狀態下無約束模態分析。

4? 建立強度計算力學模型

靜態分析力學模型：

不銹鋼車體結構對稱于縱向中心面，在靜態分析時，利用結構對稱性準則，沿車體縱向中心線取其1/2結構建立力學模型，在對稱剖面加相應的對稱約束，并按有限元法進行結構離散，采用了板殼單元。離散后，利用BEAM4單元節點耦合模擬心盤承載，實行垂向約束。1/2車體結構力學模型共有：結點總數119929，單元總數127674。

5? 強度計算結果

靜力分析結果：

各載荷組合工況的應力必須滿足《TB1335-1996》中規定的載荷許用應力。計算結果應力為當量應力，單位為MPa。現將計算結果分述如下：

強度評定：

①點焊強度參數。

根據試驗結果，SUS301L（ST）材質焊點的強度特性參數為：

抗拉強度極限為598MPa，抗剪強度極限為631MPa;若取安全系數為2，則可得到點焊的許用應力為：[σ]=298MPa，[？子]=315MPa。中值拉-拉疲勞極限為73.2MPa，可靠度為90%的疲勞極限值為64.6MPa。

②不銹鋼材質的靜強度參數：

工況1—垂向靜載：

1）最大應力為236.4.169MPa（許用應力為282MPa），發生在車頂波紋板與平板區交界處。

2）車頂最大應力為236.4.169MPa（許用應力為282MPa），發生在一位端車頂邊梁與彎梁相交處。

3）側墻最大應力為118.797MPa（許用應力為282MPa），發生在一位端門立柱與窗頂縱梁連接處。

4）底架波紋地板最大應力為68.049MPa（許用應力為282MPa），發生在波紋地板與車端中梁交接處。

5）底架（耐候鋼）最大應力為42.709MPa（許用應力為236.4MPa），發生在底架二位端枕梁與縱梁相交處。

工況2—壓縮800kN+垂向總載：

1）最大應力為247.104MPa（許用應力為282MPa），發生在一位端車頂邊梁與彎梁相交處。

2）車頂最大應力為247.104MPa（許用應力為282MPa），發生在一位端車頂邊梁與彎梁相交處。

3）側墻最大應力為169.073MPa（許用應力為282MPa），發生在一位端第二個門立柱與底架邊梁連接處。

4）底架波紋地板最大應力為179.503MPa（許用應力為282MPa），發生在枕邊第一根彎曲橫梁位置波紋地板上。

5）底架（耐候鋼）最大應力為123.726MPa（許用應力為236.4MPa），發生在枕梁與邊梁交接處。

工況6—拉伸640kN+垂向總載：

1）最大應力為168.462MPa（許用應力為282MPa），發生在側墻門立柱與底架邊梁相交處。

2）車頂最大應力為133.837MPa（許用應力為282MPa），發生在一位端車頂邊梁與彎梁相交處。

3）側墻最大應力為168.462MPa（許用應力為282MPa），發生在一位端第二個門立柱與底架邊梁交接處。

4）底架波紋地板最大應力為122.076MPa（許用應力為282MPa），發生在枕邊中梁與波紋地板相交處。

5）底架（非不銹鋼材質）最大應力為89.554MPa（許用應力為236.4MPa），發生在車鉤箱小孔處。

6? 結論

以上計算分析表明各載荷工況的計算應力均小于所采用材質的許用應力，滿足《TB1335-1996》和《地鐵車輛通用技術條件-GB7928》的要求。

參考文獻：

[1]黎宏飛，王鍇，李繼賢.新型磁浮車體結構強度仿真分析[J].技術與市場，2018，25（09）：27-30.

[2]侯建英，閆春江，石守東，宗建平，于金朋.新型高速動車組車體結構強度分析及優化設計[J].機械，2016，43（06）：32-35，46.

[3]馮軍.軌道車輛鋼結構減重優化設計方法研究[J].內燃機與配件，2019（08）：201-202.