軌道交通車輛型材強度仿真與輕量化研究

□ 柴振華

上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245

1 研究背景

隨著軌道交通車輛向智能化、輕量化發展,智能化車輛在傳統車輛的基礎上增加了智能化設備,而各型車輛均有安全軸重上限,因此對軌道交通車輛輕量化提出了更高的要求[1]。軌道交通車輛輕量化不僅可以提速降噪,減少能源消耗和碳排放,而且可以改善輪軌磨耗,降低軌道交通線路的維護費用[2]。鋁型材相比傳統鋼板具有更高的剛度質量比,在軌道交通車輛車體頂部、底板、側墻、端墻部件上得到了全面應用[3]。對鋁型材強度計算方法進行研究,以得到更優的輕量化方法,具有現實意義。

2 型材強度仿真

目前,軌道交通車輛主機廠都是運用有限元仿真技術來評估新設計車輛的強度的[4]。受限于車體尺度,考慮計算規模,在車體建模時,對車體用殼單元劃分,如圖1所示,對鋁型材用等厚殼單元來簡化模擬,如圖2所示。

圖2 鋁型材模型

對于型材交叉處,理論上可以采用變厚殼單元來模擬,但模擬時難以用變厚殼來準確建模[5]。實體單元也可以用于材交叉處模擬,并且從理論上而言,實體單元比殼單元更適用于鋁型材的強度評估。筆者對比等厚殼單元和實體單元的型材計算分析結果,驗證采用實體單元模擬的優越性。

為了確保計算精度,型材厚度方向分布三層單元,圓角處均劃分為規則六面體單元[6]。型材實體單元模型如圖3所示。在相同的單元尺寸條件下,型材實體單元模型的規模為殼單元模型的3倍,極大增加了計算耗時。因此,車體采用殼單元模擬,結合型材子模型進行計算對比,從車體計算結果中識別型材應力超標處,作為型材模型的計算邊界[7-9]。

圖3 型材實體單元模型

為對比鋁型材分別采用殼單元和實體單元仿真計算的結果,約束鋁型材一端,在鋁型材的另一端分別施加豎直向力、橫向力、縱向力,以及加速度,采用簡化工況[10-11],見表1。

表1 簡化工況

以型材縱向中間截面上節點的位移及應力作為考察對比項,這些節點均在型材交叉處,且位置對應,如圖4所示。型材模型位移云圖如圖5所示,應力云圖如圖6所示,節點位置的位移和應力見表2。

圖4 節點位置

圖5 型材模型位移云圖

圖6 型材模型應力云圖

表2 節點位置位移和應力

工況二、工況三、工況四和工況五、工況六、工況七分別驗證了型材殼單元模型、實體單元模型的位移、應力與受載存在線性關系,這種線性關系同樣適用于車體強度計算標準EN 12663-1—2010《鐵路應用 鐵道車輛車體結構要求 第1部分:機車和乘用車(及貨運車輛的替換法)》中的靜強度工況。

3 輕量化對比

軌道交通車輛車體型材質量在車體質量中占比很高,通常為50%左右,且A型車鋁型材質量達到約12 t。當車體需要輕量化時,減輕型材質量效果比較明顯。基于工況一、工況二、工況五,對比殼單元、實體單元和輕量化后實體單元模型節點處位置的位移及應力,見表3。在進行輕量化時，將型材的上下面板厚由2.8 mm減小至2.7 mm,斜筋板厚由2.5 mm減小至2.3 mm,豎筋板厚由3.0 mm減小至2.7 mm,型材單位長度質量由14.74 kg減輕為14.11 kg,減幅為4.27%。

表3 節點位置位移和應力對比

4 研究結論

由表2可見,相較于殼單元,采用實體單元模擬時,鋁型材模型節點位置的位移和應力至少可以減小4.5%。在對具體軌道交通車輛進行強度分析時,應該對型材結構采用殼單元模擬和實體單元模擬進行對比,獲得最小的差幅值,這一差幅值可以作為型材應力的修正因子。

由表3可見,鋁型材輕量化后實體單元模型節點位置位移與應力處于未輕量化殼單元模型和實體單元模型之間。當軌道交通車輛強度結果滿足要求時,如果有輕量化需求,可以進一步采用實體單元對型材結構進行強度分析,指導型材輕量化,輕量化幅度取決于具體的型材結構。