地鐵不銹鋼車體靜強(qiáng)度分析及車頂結(jié)構(gòu)改進(jìn)

姜雪薇，孫麗萍，張健，劉亮亮，王玉艷

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

?

地鐵不銹鋼車體靜強(qiáng)度分析及車頂結(jié)構(gòu)改進(jìn)

姜雪薇，孫麗萍，張健，劉亮亮，王玉艷

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

分析了某不銹鋼地鐵車車體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)的簡化，建立了該車體結(jié)構(gòu)的有限元模型，借鑒了國內(nèi)外的地鐵車輛技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定了載荷工況，計(jì)算并分析了該車體結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下的應(yīng)力情況，結(jié)果表明該車車頂彎梁處應(yīng)力集中，通過提出一系列的改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)后車體強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析.計(jì)算結(jié)果表明改進(jìn)后的車體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻，車頂應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到改善.

不銹鋼；車體；靜強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0 引言

城市軌道車輛的車體主要分為不銹鋼車體和鋁合金車體兩種.由于不銹鋼材料具有輕量化、耐腐蝕、壽命周期長、環(huán)保、耐高溫等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的軌道車輛行業(yè)，并且在城軌車體中所占有的比重越來越大[1-3].車體結(jié)構(gòu)作為車輛的載體，是整個(gè)車輛設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[4].本文對(duì)整車建立有限元模型，對(duì)車體進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并根據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì).

1 車體結(jié)構(gòu)簡介

本文以某B型不銹鋼地鐵車的中間車為例，進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算.不銹鋼車體為薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻、車頂四大部分組成，采用了高強(qiáng)度輕型不銹鋼鋼板和低合金鋼，其中幾大部件采用焊接方式聯(lián)接成完整的車體，車體外金屬表面不涂裝[5].底架端部結(jié)構(gòu)采用低合金鋼，由邊梁、橫梁、牽引梁、枕梁和緩沖梁等組成.側(cè)墻由上邊梁、下邊梁、側(cè)墻板、側(cè)墻門立柱和內(nèi)層筋板等組成.端墻由門立柱、門橫梁、端墻板和端角立柱等組成.車頂分為平頂板和波紋頂板兩部分，平頂板用于安裝空調(diào)和受電弓裝置，波紋頂板與邊梁及彎梁通過點(diǎn)焊連接在一起，形成骨架結(jié)構(gòu)[6].

2 計(jì)算模型的建立

在不銹鋼點(diǎn)焊車輛結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)焊焊核自身的尺寸非常小，在建立整車車體有限元模型時(shí)，可以將它們視為整體坐標(biāo)系下的一個(gè)“點(diǎn)”，在外部載荷作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)各部件主要依靠這些“點(diǎn)”來傳遞力[7].

出于不銹鋼點(diǎn)焊車結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)傳力”特點(diǎn)、焊點(diǎn)的數(shù)量以及分析軟件的可執(zhí)行性的考慮，采用20 mm左右的板殼單元離散車體鋼結(jié)構(gòu)，并且利用三維實(shí)體單元模擬較重的車下吊掛設(shè)備.

圖1 整車有限元模型

由于該車焊點(diǎn)數(shù)目巨大，故采用軟件中的點(diǎn)焊單元模擬.全車模型包括1 420 080個(gè)單元和1452 071個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中板殼單元為1 393 008個(gè)，六面體單元為3 348個(gè)，點(diǎn)焊單元為23 724個(gè).整車有限元模型如圖1所示.

3 車體靜強(qiáng)度分析

3.1 計(jì)算載荷及工況設(shè)置

為考察地鐵車體的強(qiáng)度,根據(jù)車輛在使用過程中的實(shí)際情況,參照《EN12663：2010 鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)來確定各計(jì)算載荷和工況.在所有計(jì)算工況下，車體各部件的最大Von.Mises應(yīng)力均不得大于車體該部位所用材料的許用應(yīng)力或屈服強(qiáng)度[8].共取10種載荷工況進(jìn)行計(jì)算：空載工況；定員工況；超員工況；最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況；垂向載荷加縱向壓縮載荷工況；垂向載荷加縱向拉伸載荷工況；一端提升工況；兩端提升工況；扭轉(zhuǎn)工況；三點(diǎn)支撐工況.

由于計(jì)算工況較多，因此選取最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況為例進(jìn)行分析說明.在該工況下，主要車體懸掛設(shè)備的重量按照集中載荷施加于設(shè)備重心位置，其他重量均布于車體底架地板,乘客重量均布于車體底架地板，底架空氣簧部位施加約束.載荷和約束施加方式如圖2所示.

圖2 載荷及約束施加示意圖

3.2 靜強(qiáng)度計(jì)算及分析

計(jì)算得到最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況下車體的應(yīng)力分布情況，車體的最大應(yīng)力發(fā)生在車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁的點(diǎn)焊連接處，應(yīng)力值為827.3 MPa，大于其材料的屈服強(qiáng)度414 MPa.對(duì)結(jié)果進(jìn)一步分析可知，側(cè)墻和底架的最大應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度.

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，車頂?shù)淖畲髴?yīng)力值超過了材料的屈服強(qiáng)度，車頂?shù)妮d荷沒有有效地進(jìn)行傳遞，車頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，需要對(duì)車頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，車頂結(jié)構(gòu)如圖3所示.

(a) 車頂彎梁結(jié)構(gòu)

(b)焊點(diǎn)位置

4 車頂?shù)母倪M(jìn)與校核

由于不銹鋼車體的焊點(diǎn)排列密集，車體在承受外部載荷后，載荷通過數(shù)萬焊點(diǎn)將力傳遞至車體各部位，并由此產(chǎn)生車體各處的變形與應(yīng)力[9].而該車車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁只通過四個(gè)焊點(diǎn)搭接在一起，無法有效傳遞載荷，因此需要對(duì)車頂彎梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使載荷可以有效地傳遞，使車頂最大應(yīng)力值下降到小于其屈服強(qiáng)度，具體確定了以下三種改進(jìn)方案.

4.1 改進(jìn)方案一

車頂彎梁是不銹鋼車體車頂鋼結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，由于彎梁上的載荷沒有有效地傳遞到側(cè)墻，車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁連接太薄弱，所以在每個(gè)車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁連接處各加一塊補(bǔ)板，增加了車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁連接處的焊點(diǎn)數(shù)，加強(qiáng)了車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁的連接，使載荷可以更好地向下傳遞，由此得出改進(jìn)方案一的結(jié)構(gòu)，如圖4所示.對(duì)此方案的車體進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，根據(jù)應(yīng)力云圖可以看出，車體的最大應(yīng)力發(fā)生在車頂彎梁處，應(yīng)力值為629.8 MPa(如圖5所示)，與原始結(jié)構(gòu)相比最大應(yīng)力值下降了200 MPa左右，但是仍不滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要對(duì)車頂彎梁做進(jìn)一步改進(jìn).

圖4 改進(jìn)方案一示意圖

圖5 改進(jìn)方案一車頂應(yīng)力云圖

4.2 改進(jìn)方案二

對(duì)原始結(jié)構(gòu)和方案一結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，在每個(gè)車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁連接處各加一塊補(bǔ)板后，車頂彎梁處的載荷向外傳遞了一部分，表明通過在車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁連接處加補(bǔ)板來減小車頂彎梁處的應(yīng)力集中是可行的.但是大部分載荷依舊集中在車頂彎梁處，依舊不滿足應(yīng)力要求，因此，需要對(duì)車頂彎梁的結(jié)構(gòu)再進(jìn)行改進(jìn).由于車頂彎梁采用帽形材或乙型材，考慮到帽型梁比乙型梁的連接關(guān)系好，因此可以將車頂?shù)囊倚土焊某擅毙土簛碓鰪?qiáng)車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁的連接，但同時(shí)考慮到如果將車頂彎梁全部由乙型梁改成帽型梁，會(huì)使車體自重增加較大，出于車體輕量化的考慮，且最大應(yīng)力只發(fā)生在二號(hào)門的車頂彎梁處，所以只將二號(hào)門的車頂彎梁由乙型梁改成帽型梁，由此得出改進(jìn)方案二的車頂彎梁結(jié)構(gòu)如圖6所示.

(a) 改進(jìn)方案二的車頂彎梁結(jié)構(gòu)

(b)改進(jìn)方案二與原始車頂彎梁的截面對(duì)比圖

對(duì)此方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行車體靜強(qiáng)度分析，計(jì)算得到車體的應(yīng)力分布情況，車體的最大應(yīng)力發(fā)生位置與方案一相同，應(yīng)力值下降了到了461.8 MPa，略大于其材料的屈服強(qiáng)度.此方案車頂彎梁處應(yīng)力集中已經(jīng)得到了較好的改善，但還需要稍加改進(jìn)使車頂彎梁的最大應(yīng)力值小于其屈服強(qiáng)度.

4.3 改進(jìn)方案三

由方案二結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果可以看出，將二號(hào)門的車頂彎梁由乙型梁改成帽型梁后，二號(hào)門的車頂彎梁處的應(yīng)力值略大于其材料的屈服強(qiáng)度，需要對(duì)二號(hào)門的車頂彎梁結(jié)構(gòu)稍加改進(jìn).考慮到帽型梁的中間部分是中空的，所以在帽型梁發(fā)生問題的位置，加一塊補(bǔ)板來進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng).由此得出改進(jìn)方案三的車頂彎梁結(jié)構(gòu)如圖7所示.對(duì)方案三的結(jié)構(gòu)進(jìn)行車體靜強(qiáng)度分析，根據(jù)應(yīng)力分布情況可以看出，車體的最大應(yīng)力不再發(fā)生在車頂，而是發(fā)生在側(cè)墻門立柱補(bǔ)板處，小于其材料的屈服強(qiáng)度，而車頂?shù)淖畲髴?yīng)力發(fā)生在側(cè)墻上邊梁處，應(yīng)力值為372.7 MPa，與方案二的車頂最大應(yīng)力相比下降了100 MPa左右，小于其材料的屈服強(qiáng)度.在另外幾種工況下對(duì)改進(jìn)方案三的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，無論在何種工況下，車體的最大應(yīng)力值均未超過材料的許用應(yīng)力或屈服強(qiáng)度.

圖7 改進(jìn)方案三的車頂彎梁結(jié)構(gòu)

三種改進(jìn)方案與原始結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析對(duì)比結(jié)果如表1所示，從表中結(jié)果可以看出，原始方案的車頂最大應(yīng)力大大超出了其屈服強(qiáng)度，通過前兩次的改進(jìn)使車頂?shù)淖畲髴?yīng)力值大幅度地下降，有效地降低了車頂彎梁的應(yīng)力集中情況，最后通過對(duì)方案二稍加修改得出的方案三完全滿足設(shè)計(jì)要求，此方案的結(jié)構(gòu)使得應(yīng)力分布比較均勻，結(jié)構(gòu)最為合理.并且，與原始結(jié)構(gòu)相比，每次的改進(jìn)都使側(cè)墻及底架的最大應(yīng)力值有略微下降，說明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)受力方式更加合理，載荷分布均勻.

表1 幾種方案最大應(yīng)力的對(duì)比結(jié)果 MPa

5 結(jié)論

本文對(duì)地鐵不銹鋼車體進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果表明該車車頂原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，提出了一系列改進(jìn)方案，最終給出了一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、滿足力學(xué)性能的車頂改進(jìn)方案.在改進(jìn)過程中得到以下規(guī)律: (對(duì)于車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁通過焊點(diǎn)搭接的結(jié)構(gòu)，容易在彎梁處產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，可以在盡量不改變整體結(jié)構(gòu)的前提下在彎梁與上邊梁的搭接處進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)；(在車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，梁柱的斷面形式以及載荷傳遞的有效性是需要考慮的重要問題，帽型梁與乙型梁相比，連接關(guān)系好，但自重大，可以只在車頂彎梁局部應(yīng)力集中的部位采用帽型梁，而其他部位采用乙型梁，既可以有效減小局部應(yīng)力集中又不會(huì)使車體自重增加較大.

[1]黃志宏,許彥強(qiáng).不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析要點(diǎn)[J].鐵道車輛,2012(6):14-17.

[2]謝素明,郭宗斌,高陽.不銹鋼點(diǎn)焊車體性能仿真模型的有效性分析[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2013,30(S1):35-40.

[3]BADDOO N R. Stainless steel in construction: A review of research, applications, challenges and opportunities[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2008, 64(11): 1199-1206.

[4]劉曉芳.不銹鋼地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析[J].工業(yè)技術(shù)，2014(20):11.

[5]李培,孫麗萍.地鐵不銹鋼車體強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].內(nèi)燃機(jī)車,2011(4):17-20.

[6]張永強(qiáng).城軌車輛不銹鋼車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].電子世界，2014(2):163.

[7]謝素明,穆偉,高陽.不銹鋼點(diǎn)焊車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及局部焊點(diǎn)布局優(yōu)化[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(4):12-16.

[8] 英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì).BS EN 12663-1:2010鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求(第一部分:機(jī)車和客運(yùn)車輛)[S].英國：[s.n.],2010.

[9] 謝素明,隋明東,李曉峰，等.不銹鋼點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)車體FEA建模方法[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28(1):18-21.

[10] 于開平,周傳月,譚惠豐.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2005:68-83.

Static Strength Analysis of Subway Stainless Steel Car Body and Its Roof Improvement

JIANG Xuewei,SUN Liping,ZHANG Jian,LIU Liangliang，WANG Yuyan

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

By analyzing the structure character of a metro vehicle stainless steel car body，a finite element model of the car body is established.Basing on the technical standards of the metro vehicle，the load cases of the car body are confirmed.Through analyzing the strain and stress in every load case and the mode of the car body，the results show that the original structure design of the roof bow is not reasonable.A series of improvement schemes are proposed,and each kind of improved scheme is calculated and analyzed.The final results show that the improved strength of the car body makes uniform stress distribution,and the phenomenon of stress concentration is improved.

stainless steel；car body；static strength；structure improvement

1673-9590(2016)04-0046-04

2015-12-06

姜雪薇(1990-)，女，碩士研究生；孫麗萍(1965-)，女，教授，碩士，主要從事車輛結(jié)構(gòu)分析與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究E-mail:slp@djtu.edu.cn.

A