地鐵車輛司機室骨架結構準靜態分析與試驗

陳太曉 周立剛 張建偉

摘要：文章主要是以外國某型地鐵車輛為這次的研究對象，然后對地鐵車輛中的司機室骨架的結構進行了設計和評估驗證，望可以為有關人員提供到一定的參考和幫助。

關鍵詞：地鐵車輛;司機室骨架結構;防撞柱

當前我國經濟水平的不斷發展，同時也推動了城市化的發展進程。城市人口的增加導致城市交通壓力的增加，地鐵的運用能夠有效緩解到城市交通的壓力，方便人們的出行，但其一旦發生造成的傷亡十分嚴重。

1.司機室端部骨架設計方案比選

1.1司機室端部骨架結構設計方案

車體端部司機室骨架的設計主要遵照美國標準ASMERT-22014中對車體設計的要求進行。其中對端部吸能區設計方案的評估是通過對端部承力結構的準靜態壓縮工況完成。該工況要求對整車鋼結構（不包括附屬部件）持續施加一個縱向載荷，載荷位置為任一防撞柱根部以上457mm處，直至防撞柱出現塑性屈曲。該工況的主要評判準則有：1）所施加的縱向加載剛卸載時，防撞柱中間高度位置處的縱向位移必須超過防撞柱自身縱向長度的1/3;2）防撞柱所受到的屈曲載荷必須大于彈性設計載荷;3）所施加的縱向載荷完全卸載后，防撞柱的根部以及頂部與車體端部的連接關系沒有明顯的分離。根據以上評估準則，可以得出車體端部結構的主要設計思路為：1）端部結構必須保證一定的強度，使其臨界屈曲載荷大于彈性設計載荷，防撞柱與其他結構連接處要避免應力集中;2）端部結構必須保證一定的柔度，使其在塑性屈曲后，變形能達到評價指標的要求;3）防撞柱結構的剛度設計應當在垂向方向存在分布梯度，上下端部的剛度應大于中間部位，有利于中間部位發生塑形變形。基于以上基本設計思路，本文提出3種車體端部結構的設計方案。其中，方案1防撞柱整體剛度為均勻分布，在加載位置處采用雙橫梁結構加強其底部抗彎剛度;方案2中防撞柱整體剛度呈3段式分布;方案3中防撞柱整體剛度呈4段式分布。

1.2基于有限元分析的方案比選

對以上3種結構設計方案進行有限元模型的建立。由于防撞柱準靜態壓縮以局部變形為主，為遴選合理的設計方案，有限元建模只選取前1/3車體結構。由于車體結構較為復雜，且主要變形發生在車體端部，采用統一網格大小無法同時兼顧計算效率與結果精度。因此在實際有限元模型中，車體端部變形集中區域的網格大小為2mm，其余橫梁，邊梁等連接結構網格大小逐漸過渡至5mm，端部以后結構網格尺寸基本為10mm。為了表征材料屈服后的塑形硬化行為，選用雙線性材料模型進行模擬。

2.整車準靜態試驗驗證

2.1試驗布置與測試方法

該試驗通過將1節地鐵車輛車體鋼結構放置于彈塑性試驗臺上，由2個帶測力傳感器的垂向支撐裝置模擬轉向架將車體支撐在標準軌道上。縱向方向上，一端由固定于剛性墻上的約束裝置支撐，另一端通過彈塑性加載裝置進行加載。為了防護由偏心載荷而引起的車體轉動或橫向運動，在車體兩側分別設置4個橫向止擋裝置，其中最靠近加載端的橫向止擋附帶安裝測力傳感器，用以測試橫向約束力。各測力傳感器的編號為LC01～LC10。為了詳細描述防撞柱主要壓潰位置的變形量，對其各個高度位置的位移量進行測試。

2.2試驗結果

車體局部結構有小的二次變形。碰撞柱或其與車身的連接沒有明顯的斷裂。周圍連接部件的變形也很小，沒有斷裂的跡象。對碰撞柱準靜態試驗進行評估，最關鍵的數據來源是位移和力的測量。位移計測試數據顯示在縱向載荷剛剛卸載時，碰撞柱中間高度位置（LVDT4）的位移值為195mm，遠大于評估標準要求的72mm。通過安裝在加載裝置上的測力傳感器獲得加載力的測試值，在剛性墻約束端也有3個測力傳感器，將其數據相加可以得到約束端的支反力。總體上，加載端的載荷與約束端的反作用力相當吻合。然而，隨著位移量的增加，加載力比支反力高出約50kN（總共約800kN）。所測得的加載力與支反力產生差異的主要原因是碰撞柱變形時所產生垂向力作用的結果。

3.數據對比分析

為了驗證有限元建模方法的準確性和有效性，為后續的分析研究提供基礎，按前文所述方法對整車準靜態試驗工況進行建模并計算，將有限元結果與試驗數據進行對比分析。總體上，防撞柱的整體變形模式和局部屈曲行為非常相似。有限元計算和試驗結果的響應規律十分相似，但計算結果的位移值略大于試驗測試的數據。仿真計算得到的力?位移曲線與試驗測得的力?位移曲線的比較。對比結果表明，仿真結果與測試結果有較好的一致性，但有限元計算的結果比實際試驗中得到的響應要強烈一些。這主要是由3方面的原因造成的：1）端部底架結構也是有較大變形的，在仿真中這部分結構的剛度模擬偏大，因而對壓潰力的貢獻要更大一些，所以計算結果中壓潰力要稍大于試驗結果;2）仿真計算采用顯式動力學方式計算，為了提高計算速度，對于準靜態的模擬采用了提高加載速度的方法，這不可避免地引入了一些動態效應，因此會使變形程度更大一些;3）試驗測試中同樣存在一些引入誤差的可能，加載裝置并不能保證絕對剛性，其微小的彈性形變會使位移測試結果變大，使得防撞柱的力?位移特性，即整體剛度減弱。

4.結束語

通過對試驗工況進行有限元的仿真計算，同時分析了測試的數據，在分析過程中發現兩者在整體規律上有著姣好的統一性，為后續的研究奠定良好的基礎。

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