地鐵車體的靜強度和疲勞強度模擬研究*

萬志強，宗輝祖，馬 波，黎少東

(1.中國水電四局(蘭州)機械裝備有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州車輛段，甘肅 蘭州 730050；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關車輛段，甘肅 嘉峪關 735100；4.寧波軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315000)

0 引 言

地鐵的建造已經成為了當代中國城市建設發展的基礎，得到世界各國的歡迎。我國許多大中城市早已修剪了地鐵，如北京、上海、天津、深圳等，不少二三線城市也正如日中天的進行地鐵項目的修建。地鐵不僅可以避免城市地面擁擠大幅度減輕城市交通負擔，而且可以保持低碳綠色、減少噪音。地鐵作為載客車輛在為乘客提供舒適和安全的運輸體驗同時，還必須具備規定的靜強度和疲勞強度。

我國學者在這方面已進行了大量研究：姜雪薇[1]建立了鋁合金地鐵車體的有限元模型，對車體進行了強度以及疲勞強度等方面的仿真分析，利用OptiStruct對車體的型材截面進行了優化，將優化前后的數據進行對比分析，再次說明優化方案的可行性；陳峻岐[2]采用CATIA軟件建立了地鐵A型車模型，根據JIS等要求對15種工況進行了強度分析，為我國自主研發地鐵車輛提供了有力依據；李韜[3]以上海地鐵列車為研究對象，檢驗了國產A型地鐵的性能，對其結構強度以及剛度進行了試驗，對比實驗結果和模擬計算結果，得出實驗值與計算值相符合的結論，地鐵的各個性能滿足設計標準；王志俊[4]等以6005A-T6鋁合金作為車體主材，在保證地鐵車體的強度剛度，以及保證安全性、可靠性的基礎上，設計了A型地鐵的鋁合金車體結構；王國軍[5]等采用有限元分析軟件和Hypermesh軟件建立模型并離散化，研究不同工況下車體的靜強度和疲勞強度，并對車體結構進行了優化。

筆者以地鐵車體為研究對象，首先運用SolidWorks軟件建立地鐵車體三維模型，然后導入ANSYS軟件中的Workbench模塊進行網格劃分，其次并根據車體所受不同載荷，最后計算并分析車體的靜強度和疲勞強度。此研究可為我國地鐵車輛的疲勞強度分析提供一定的理論依據。

1 車體有限元模型設置

有限元法是進行靜強度分析的成熟數值計算方法，是解決繁雜的力學問題的高效率工具。文中在研究過程中選取地鐵車輛的中間車作為數值模擬研究對象。車體結構為整體承載殼式結構，由底架、側墻、端墻、車頂等組成，車體結構主要由鋁合金6005A-T6型材和5083-H111板材等制成，符合歐洲標準EN755-2《鋁和鋁合金——擠壓棒材、管材和型材——第二部分 機械性能》的要求[6]。

1.1 模型建立

地鐵車體長2 3540 mm，車體寬3 000 mm，地板距軌面1 130 mm[7]，根據截面等效法采用實心結構代替車體中空結構，得到側墻和車頂板實心板材厚度均為15 mm，底板厚度41 mm[8]，建立幾何模型如圖1所示。采用自由網格劃分方法進行離散化，生成83萬個節點，16萬個單元，有限元車體模型見圖2。

圖1 車體幾何模型 圖2 車體有限元模型

1.2 材料設置

車體的強度分析是為了確定其性能滿足我國地鐵結構的設計要求，按照相關的技術標準，車體設計載荷工況主要根據歐洲標準EN 12663-2010以及GB/T 7928-2003標準[9]。其中，車體主要材料EN AW 6005A-T6的泊松比0.3，彈性模量70 GPa，屈服強度215 MPa。

1.3 載荷添加

車體結構強度設計過程中，會考慮到垂向載荷、縱向載荷以及側向力等，其中垂向靜載荷包括車體的自重、車輛載客重量以及整備重量，垂向動載荷主要是由于軌道線路不平順等引起的，縱向載荷則主要來自于前后車鉤的拉伸以及壓縮作用。表1和表2分別給出了地鐵載客量及靜載荷各工況。

表1 地鐵載客量

表2 靜載荷各種工況 /kN

2 計算結果與分析

2.1 車體的靜強度分析

文中主要分析了在垂向載荷作用下以及縱向載荷作用下的不同工況時車體的應力。車體靜強度應該滿足：在各種載荷工況下，最大應力應當小于或等于所用材料的許用應力，即σmax≤[σ][10]。

在“空載載荷”工況1下，車體的最大應力值38.5 MPa出現在車體門角處；在“滿座載客”工況2下，車體的最大應力值43.2 MPa發生于車體門角處；在“滿載載客”工況3下，車體的最大應力值68.3 MPa位于車體中間下門角處；在“1.3倍最大載荷”工況4下，車體的最大應力值102.4 MPa出現于車體后方車門下角；在“最大載荷狀態下車鉤區域壓縮載荷”工況5下，車體最大應力值167.1 MPa出現在底架牽引梁處，工況1～5下車體的應力分布如圖3(a)～(e)所示。

圖3 工況1～5車體應力分布云圖

以上最大應力值均未超過材料的屈服強度215 MPa，因此說明車體的靜強度滿足EN 12663-2000設計要求。

2.2 車體的疲勞強度分析

疲勞強度是指零部件抵抗疲勞破壞的能力，是由材料的性能、個別部位的應力分布決定的。因此，零件的應力集中部分是疲勞強度設計的關鍵。根據Goodman曲線的繪制方法[4]得到車體材料鋁合金6005A-T6的Goodman疲勞極限圖如圖4所示。依據將計算所得疲勞強度平均值繪制與Goodman疲勞極限圖中，通過是否包括在疲勞極限線框圖中來判斷該結構的疲勞強度是否符合要求。

圖4 鋁合金6005A-T6的Goodman疲勞極限圖

地鐵車輛車體受力情況復雜，根據EN12663-2010中車體疲勞試驗加載要求，需要對車體施加各方向力，通過加速度轉化成疲勞作用力，即分別為：縱向：±0.15 g，橫向：±0.15 g，垂向：(1±0.15)g。

文中選擇了4種具有代表性的工況進行求解，得到疲勞危險點在4種工況下的最大主應力，然后計算應力平均值用于車體的疲勞強度分析。工況1～4下車體各部位的等效應力如圖5(a)～(d)所示，其中車體主要各部位最大主應力值見表3所列。

圖5 四種代表性工況的等效應力

表3 車體各部位不同工況最大主應力 /MPa

根據車體各部位不同工況最大主應力計算得車體各部位不同工況平均應力如表4所列。

表4 車體各部位不同工況平均應力 /MPa

將對應各部位平均應力繪制于車體主要材料的Goodman疲勞極限圖中，得到圖6。由圖6可知各部位平均應力均在疲勞極限圖的范圍內，因此地鐵車體疲勞強度滿足EN12663-2010的規定。

圖6 車體主要材料疲勞極限圖

3 結 語

以地鐵的車體為研究對象，采用SolidWorks軟件對地鐵車體進行了幾何建模，對非承載結構進行簡化，利用ANSYS軟件對車體模型進行離散，得到車體的有限元模型，其中835234個節點，167264個單元。然后，根據EN 12663-2010和GB/T 7928-2003標準，分析了車體進行4種不同工況下的靜強度，得到車體各個部位最大應力均小于材料的屈服強度，滿足規定中的相關要求。最后，選擇了4種具有代表性的疲勞強度工況計算各部位平均應力，將計算結果繪制在Goodman疲勞極限圖上，結果顯示此地鐵車體的疲勞強度滿足規范要求。