廈門某線B型地鐵車輛靜強度及試驗分析

程相文，周 勇，張相寧，王 成

(1.華北理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063210)

0 引言

隨著城市化進程不斷加快，地鐵已成為城市交通不可或缺的一部分，它具有運行速度快、污染少、安全舒適、時間準(zhǔn)時等優(yōu)點，越來越受到出行者的喜愛[1-3]。鋁合金材料具有強度高、耐蝕性好、質(zhì)量輕等優(yōu)點，在地鐵行業(yè)中被廣泛應(yīng)用[4-6]，鋁合金車體正逐漸替代傳統(tǒng)不銹鋼車體。但是，相比不銹鋼車體，鋁合金車體的質(zhì)量、強度都有所降低，因此其安全性、穩(wěn)定性不能忽視[7]。靜力學(xué)分析中，車體的強度和剛度是評定地鐵車輛是否滿足運行要求的基本參數(shù)，只有車體滿足各項評定要求才能保障乘客的安全[8-11]。

本文根據(jù)車體結(jié)構(gòu)的二維圖紙和三維模型，基于Hypermesh軟件建立車體的有限元模型，并將有限元模型導(dǎo)入仿真軟件ANSYS中依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對車體的不同工況進行仿真分析。在中車唐山機車車輛有限公司，對車體的強度進行了現(xiàn)場試驗測試，將試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果進行了對比，并分析了實際測試值與理論計算值不完全吻合的原因。

1 鋁合金地鐵車體結(jié)構(gòu)的特點

鋁合金地鐵車體主要由大型中空鋁合金擠壓型材焊接而成，車身整體承載結(jié)構(gòu)主要包括車頂、側(cè)墻、底架和端墻。底架模塊除底架邊梁和地板外，還有緩沖梁、枕梁結(jié)構(gòu)。側(cè)墻截面設(shè)計為鼓形。車體的車頂、側(cè)墻、端墻、底架邊梁和地板采用6005A-T6鋁合金材料，緩沖梁和枕梁采用6082-T6鋁合金材料。其中，車頂、側(cè)墻、底架和端墻的焊接基于裝配特點采用插接和搭接的方法。

2 車體結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1 鋁合金車體的有限元建模

基于Hypermesh有限元軟件對鋁合金地鐵中間車車體建立了有限元模型。由于車體的主要結(jié)構(gòu)為大型中空鋁合金擠壓型材，故采用殼單元進行模擬。為確保仿真計算結(jié)果的精度，對于一些復(fù)雜的且長、寬、厚度差異不大的部件采用實體單元模擬。參考近年來關(guān)于鋁合金地鐵車體強度試驗分析的文章，發(fā)現(xiàn)車體強度測試值與計算值誤差大于10%的位置基本出現(xiàn)在車窗、門角等圓弧過渡區(qū)域。為了提高計算精度，對車體有限元模型車窗、門角的圓弧區(qū)域網(wǎng)格進行細化，圓弧邊緣采用小尺寸四邊形網(wǎng)格包圍多層，以節(jié)點對應(yīng)的方式讓網(wǎng)格形狀盡可能規(guī)則，采用網(wǎng)格尺寸逐層增大的方法將少數(shù)不規(guī)則網(wǎng)格過渡到遠離圓弧區(qū)域的位置，保證該區(qū)域的網(wǎng)格精度。另外，車體焊接位置采用節(jié)點耦合的方式進行連接，應(yīng)用剛性梁單元來模擬螺栓連接。鋁合金地鐵車體的有限元模型總單元數(shù)為1 826 700個，總節(jié)點數(shù)為1 633 187個。車體的有限元模型如圖1所示，門角、車窗圓弧區(qū)域局部網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 車體的有限元模型

圖2 門角、車窗圓弧區(qū)域局部視圖

2.2 車體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

根據(jù)EN12663-2010《鐵道應(yīng)用——軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》對地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)屈服失效的規(guī)定，車體結(jié)構(gòu)的靜強度要滿足評定標(biāo)準(zhǔn)，各部件的應(yīng)力不能超過其所用材料的許用應(yīng)力。

JISE7106-2006和EN12663-2010相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對地鐵車體的剛度并沒有作出具體要求[12]，因此本文根據(jù)GB/T7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》的評定要求對車體剛度進行評價，即車體底架邊梁在垂向超員載荷工況下，最大靜撓度不超過地鐵車輛定距的1‰：

(1)

其中：L為底架邊梁的最大垂向位移；f為地鐵車輛定距。

鋁合金地鐵車體定距為12 600 mm,結(jié)合剛度評定要求底架邊梁最大垂向位移不能大于12.6 mm。在1.3倍超員載荷工況下地鐵車體的垂向位移云圖如圖3所示，車體的最大垂向位移為5.88 mm，滿足剛度評定要求。

圖3 超員載荷工況車體的垂向位移云圖

2.3 車體靜強度載荷工況

依據(jù)EN12663-2010《鐵道應(yīng)用——軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)，對車身設(shè)置了10種載荷工況，具體如表1所示。表1中，AW0為車體整備重量，AW3為超員重量。

表1 車身靜強度載荷工況

2.4 仿真計算結(jié)果

將車體的有限元模型導(dǎo)入ANSYS軟件進行靜強度仿真計算。計算結(jié)果顯示，在所有的工況載荷下，車體的Von Mises應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力。現(xiàn)將各工況的最大應(yīng)力值及其最危險部位進行匯總，如表2所示。

表2 各工況下最大應(yīng)力及其危險部位匯總

3 車體試驗測試及結(jié)果對比

3.1 車體試驗測試

在車體強度試驗中，測試點會覆蓋整體車身，由于測試點數(shù)量龐大，考慮篇幅限制，挑選一位端一位側(cè)門角、窗角位置的測試點進行分析，這些位置存在圓弧過渡區(qū)域，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，相對較為典型。窗角和門角測試點的具體位置分別如圖4、圖5所示。

圖4 窗角測試點具體位置

圖5 門角測試點具體位置

該車體強度的試驗測試是在中車唐山機車車輛有限公司進行的，車體現(xiàn)場載荷施加情況如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場試驗情況

3.2 結(jié)果對比分析

為驗證上述窗角、門角圓弧區(qū)域網(wǎng)格的精度，以工況2為例，對該部分測試點位置應(yīng)變片的應(yīng)力值進行統(tǒng)計，并對測試點的應(yīng)力值與計算值的相對誤差進行了匯總，如表3所示，車窗與門角的測試值與計算值的數(shù)值比較如圖7所示。

表3 工況2測試應(yīng)力與計算應(yīng)力對比結(jié)果

圖7 工況2測試應(yīng)力與計算應(yīng)力對比

對比計算結(jié)果和試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者具有良好的一致性，驗證了車窗、門角圓弧過渡區(qū)域網(wǎng)格劃分的正確性，說明車體的有限元模型在一定程度上能夠反映車體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點。由于篇幅限制，此處只給出了工況3下車窗、門角區(qū)域的對比結(jié)果，如圖8所示。

圖8 工況3測試應(yīng)力與計算應(yīng)力對比

分析各工況下測試值與計算值的對比結(jié)果，二者在變化趨勢上雖然具有良好的一致性，但是卻不能完全吻合，該問題產(chǎn)生的主要因素如下：

(1) 車體有限元的模擬誤差。車體有限元模型建立過程中，對于車體結(jié)構(gòu)的簡化、網(wǎng)格的連接方式以及載荷、約束施加位置等都會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響。

(2) 試驗誤差。應(yīng)變片測試位置與單元節(jié)點位置不一致，使計算結(jié)果與測驗結(jié)果存在差異。

(3) 車體制造誤差。車體各部件在實際焊接中可能會產(chǎn)生焊接變形，致使測試結(jié)果有誤差。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)EN12663-2010《鐵道應(yīng)用——軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》，對鋁合金地鐵中間車車體進行了10種工況強度和剛度分析。在各個工況下，車體的Von Mises應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力。在超員載荷工況下，車體的最大垂向位移為5.88 mm，小于車輛定距的1‰，剛度也滿足評定要求。

(2) 對車體進行了現(xiàn)場試驗測試，并將測試結(jié)果與計算結(jié)果進行了對比。兩組數(shù)據(jù)具有很好的一致性，相對誤差在10%以內(nèi)，說明車體的有限元模型能夠在一定程度上真實準(zhǔn)確地反映地鐵車輛的承載特點和力學(xué)性能。

(3) 對測試值與計算值不能完全吻合的原因進行說明。為車體的有限元建模和強度試驗提供了經(jīng)驗參考。