一種城軌車輛司機(jī)室結(jié)構(gòu)分析

姜琨久 劉英博 李 帥 宗清澤

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京211800）

1 概述

隨著社會(huì)時(shí)代不斷的進(jìn)步，針對(duì)國(guó)內(nèi)外城軌車輛技術(shù)也提高要求，城軌車輛車體中司機(jī)室設(shè)計(jì)主要受到美工方案、面罩、逃生門等設(shè)備的安裝影響。隨著地鐵業(yè)主也不斷對(duì)生產(chǎn)制造企業(yè)提出更高的標(biāo)準(zhǔn)要求，司機(jī)室設(shè)計(jì)難度也隨之越來(lái)越高。

本文論述以城軌某地鐵項(xiàng)目為舉例，在滿足符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境，人文要求下，同時(shí)也要滿足其他業(yè)務(wù)接口要求，更需要保證靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 司機(jī)室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本項(xiàng)目司機(jī)室由鋁合金型材焊接構(gòu)架，型材設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮司機(jī)室前部滿足碰撞的吸能要求，也要滿足壓縮的強(qiáng)度要求。司機(jī)室前部端梁選用的材料為6008-T4，6008-T4 的屈服強(qiáng)度為90MPa，為低強(qiáng)度高韌性材料，恰能滿足此要求。其他型材基本選用材料為6005A-T6，可以承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)等載。在碰撞中可滿足司機(jī)室生存空間的要求。司機(jī)室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很大程度受接口的影響如圖1 所示。

圖1 司機(jī)室結(jié)構(gòu)

此類車體司機(jī)室有吸收碰撞能量的功能要求，所以利用螺栓與車體其他部分進(jìn)行連接，這種結(jié)構(gòu)拆卸方便并在一定的碰撞時(shí)，可以很好保護(hù)駕駛員安全，也可以使車體其他部分減少其碰撞導(dǎo)致的不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

3 有限元分析

有限元分析應(yīng)滿足參考標(biāo)準(zhǔn)（1）BS EN 12663-1:2010《鐵道應(yīng)用- 軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》；（2）BS EN 1999-1-3-2007《Eurocode 9：Design of aluminium structures--Part 1-3:structures susceptible to fatigue》；

車體結(jié)構(gòu)包括以下部分：底架，側(cè)墻，端墻，車頂和司機(jī)室。我們模擬計(jì)算司機(jī)室必須要囊括其所有車體部分，這樣計(jì)算結(jié)果才能嚴(yán)謹(jǐn)有效。

我們用nx nastran 軟件進(jìn)行靜強(qiáng)度處理如圖1 所示，疲勞則利用fatevas 進(jìn)行有限元模型建立。

車體主要材料參數(shù)如下；

材料名稱；EN 6005A-T6，母材屈服強(qiáng)度（Mpa）e≤5 為215，5

材料名稱；EN 6082-T6，母材屈服強(qiáng)度（Mpa）e≤6 為260，6

材料名稱；EN 5083-H111，母材屈服強(qiáng)度（Mpa）e≤6.3 為125，6.3

車體針對(duì)靜強(qiáng)度計(jì)算的參數(shù)按以下兩種工況，相對(duì)AW0 狀態(tài)，計(jì)算AW3 狀態(tài)更能體現(xiàn)計(jì)算靜強(qiáng)度的重要性。

工況1；AW3 車鉤拉伸工況，車長(zhǎng)方向施加F1=640KN，垂直方向-1g，質(zhì)量為車體整備質(zhì)量+ AW3 工況下乘客質(zhì)量21995kg+19860kg。

工況2；AW3 車鉤壓縮工況，車長(zhǎng)方向施加F1=9000KN，垂直方向-1g，車體整備質(zhì)量+ AW3 工況下乘客質(zhì)量21995kg+19860kg。

AWO 為整備狀態(tài)（空載），AW2 為每平米站6 人,AW3 為每平米站8 人，每個(gè)乘客重量為60kg

分別對(duì)以下三種工況進(jìn)行疲勞計(jì)算及其參數(shù)要求如下；

工況1；縱向加速度沖擊，車體狀態(tài)為AW2，車長(zhǎng)方向受到±0.15g，循環(huán)次數(shù)1.00E+07。

工況2；橫向加速度沖擊，車體狀態(tài)為AW2，車寬方向受到±0.15g，循環(huán)次數(shù)1.00E+07。

工況3；垂直加速度沖擊，車體狀態(tài)為AW2，車高方向受到±0.15g，循環(huán)次數(shù)1.00E+07。

靜強(qiáng)度校核方法：

本報(bào)告中靜強(qiáng)度工況計(jì)算應(yīng)力結(jié)果均采用第四強(qiáng)度理論當(dāng)量應(yīng)力進(jìn)行校核。其計(jì)算公式為：

式中：

σv，m為第四強(qiáng)度理論當(dāng)量應(yīng)力/Mpa；

σi（i=1，2，3）為第i 主應(yīng)力/Mpa；

靜強(qiáng)度計(jì)算分析的驗(yàn)收規(guī)范如下：

（1）材料不產(chǎn)生永久變形；

（2）靜強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力應(yīng)小于或者等于材料許用應(yīng)力。

疲勞強(qiáng)度校核方法：

疲勞強(qiáng)度分析采用疲勞分析中的疲勞極限法，根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)下線彈性結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果，結(jié)合材料S-N 曲線進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞分析。疲勞極限是一個(gè)應(yīng)力程度，如果所有動(dòng)態(tài)應(yīng)力循環(huán)均低于它，在該應(yīng)力程度時(shí)就不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

通過(guò)計(jì)算EN 12663 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的疲勞工況，獲取焊縫處四個(gè)方向的應(yīng)力（σTc- 平行于焊縫的正應(yīng)力，σNc- 垂直于焊縫的正應(yīng)力，τTc- 平行于焊縫的剪應(yīng)力，τNc- 垂直于焊縫的剪應(yīng)力）。疲勞計(jì)算采用EN 1999-1-9 標(biāo)準(zhǔn)（詳細(xì)方法請(qǐng)參考第8節(jié)）。

垂直于焊趾方向：

式中，frdT、frdN分別為平行于焊趾和垂直于焊趾方向的許用應(yīng)力。

依據(jù)EN12663 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于車體疲勞強(qiáng)度的規(guī)定，必須保證車體不少于30 年的許用壽命，車體焊縫不會(huì)出現(xiàn)疲勞失效（具體說(shuō)來(lái)，必須保證6.3.1 中提到的焊縫疲勞利用系數(shù)值UF 小于或者等于1）。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 靜強(qiáng)度模擬計(jì)算

AW3 狀態(tài)下車鉤中心線壓縮工況AW3 狀態(tài)下車鉤中心線拉伸工況

圖2 司機(jī)室應(yīng)力云圖

圖3 司機(jī)室應(yīng)力云圖

4.2 疲勞強(qiáng)度部分

焊縫疲勞結(jié)果

對(duì)所有焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，綜合評(píng)定所有疲勞工況，總體來(lái)說(shuō)，整車焊縫疲勞壽命滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，車體壽命需要滿足30 年要求。

圖4 司機(jī)室焊縫疲勞云圖

焊縫疲勞結(jié)果數(shù)值，各部件最大焊縫疲勞利用系數(shù)為0.981，整車最大焊縫疲勞利用系數(shù)0.993，判斷標(biāo)準(zhǔn)（UF<1），滿足要求。

通過(guò)計(jì)算司機(jī)室側(cè)立柱與縱梁連接處應(yīng)力相對(duì)較大，疲勞利用系數(shù)相對(duì)較高，應(yīng)予以關(guān)注；其它部位的焊縫應(yīng)力相對(duì)較低。

通過(guò)對(duì)該車體進(jìn)行的強(qiáng)度（靜強(qiáng)度工況、疲勞強(qiáng)度工況）從結(jié)果中我們可以看出：

靜強(qiáng)度計(jì)算完全滿足EN12663 標(biāo)準(zhǔn)的要求。計(jì)算得出的車體變形與此類結(jié)構(gòu)通常所容許的相符，在所有靜態(tài)工況下，所得到的結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)大于1.0。

通過(guò)對(duì)車體運(yùn)行工況下的載荷進(jìn)行模擬，車體焊縫疲勞壽命和母材疲勞壽命在基本運(yùn)營(yíng)工況下，能夠完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。疲勞利用系數(shù)在各個(gè)工況下的數(shù)值均小于1，車體各個(gè)焊縫在標(biāo)準(zhǔn)EN 12663 要求的循環(huán)載荷作用下，能夠滿足循環(huán)力作用一千萬(wàn)次的要求。

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)靜強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明,驗(yàn)證了仿真分析與試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，其設(shè)計(jì)的司機(jī)室完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 根據(jù)有限元靜強(qiáng)度計(jì)算, 車體司機(jī)室在各工況下的應(yīng)力水平都小于相應(yīng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力, 滿足強(qiáng)度要求。

5.3 今后未來(lái)對(duì)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)會(huì)進(jìn)一步提高，從設(shè)計(jì)的角度看，車體結(jié)構(gòu)需要不斷的優(yōu)化與強(qiáng)化。