地鐵鋁合金車體靜強(qiáng)度分析以及底架橫梁尺寸優(yōu)化

陶斯嘉 王玉艷 趙闊 王萌

摘 要：車體的靜強(qiáng)度分析是分析車體性能不可或缺的一部分，靜強(qiáng)度分析能夠清晰的得出車體在各個工況下應(yīng)力的分布情況。文章以某地鐵鋁合金中間車的底架為研究對象，利用HyperMesh軟件建立了該車體結(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，基于該鋁合金中間車車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對車體的底架橫梁部分進(jìn)行尺寸優(yōu)化，對優(yōu)化之后的車體靜強(qiáng)度以及剛度進(jìn)行了計(jì)算和校驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果均符合材料以及設(shè)計(jì)要求，在保證車體靜強(qiáng)度和剛度符合條件的同時，改進(jìn)了底架橫梁的尺寸，減小了車體的質(zhì)量，與原車體底架橫梁質(zhì)量相比減小了20.89kg。

關(guān)鍵詞：鋁合金；車體；靜強(qiáng)度；尺寸優(yōu)化

中圖分類號：U270.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0015-02

Abstract： The static strength analysis of the car body is an indispensable part of the analysis of the car body performance. The static strength analysis can clearly get the distribution of the stress of the car body under various working conditions. In this paper， a finite element model of a subway aluminum alloy middle car is established by using HyperMesh software. Based on the structural characteristics of the aluminum alloy intermediate car body， the size optimization of the frame beam part of the car body is carried out based on the reference to the domestic and foreign subway vehicle technical standards. The static strength and stiffness of the optimized car body are calculated and calibrated. The calculated results meet the requirements of material and design. The size of the underframe beam is improved while the static strength and stiffness of the car body conform to the conditions. The weight of the car body is reduced by 20.89 kg， compared with the frame beam of the original car body.

Keywords： aluminum alloy； car body； static strength； dimension optimization

引言

地鐵車是城市軌道交通裝備的重要組成部分，高效便捷的軌道交通是緩解我國由于城市人口迅速增長而造成交通巨大壓力的首選方案。鋁合金車體具有重量輕，耐腐蝕，外觀平整度好和易加工的優(yōu)點(diǎn)，從而受到了廣泛的應(yīng)用。車體結(jié)構(gòu)是車輛的載體，是整個車輛的基礎(chǔ)，本文對鋁合金地鐵中間車建立了有限元模型，對車體進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并根據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果，對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 車體結(jié)構(gòu)的簡介

本文研究的車體是某A型鋁合金地鐵車的中間車，該中間車車體采用全長的大型中空鋁合金擠壓型材組焊成筒型整體承載結(jié)構(gòu)。車體由底架、車頂、側(cè)墻以及端墻構(gòu)成。車輛運(yùn)行的最大速度為80km/h，車體的長度、最大寬度以及最大高度分別是22800mm、3000mm、3842mm。車輛的整備重量為21.2173t，車體的定員載客量為309人，超員載客量為440人，車體可以承受垂直、縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)等載荷。

2 計(jì)算模型的建立

基于該鋁合金車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)考慮，應(yīng)用HyperMesh軟件對該車體進(jìn)行有限元模型的建立以及網(wǎng)格的劃分，采用20mm左右的SHELL單元離散車體結(jié)構(gòu)，車體的有限元模型一共包括了199萬個單元和178萬個節(jié)點(diǎn)。

3 車體的靜強(qiáng)度分析

3.1 計(jì)算載荷以及工況設(shè)置

為了考察地鐵車體的強(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》和《設(shè)計(jì)規(guī)劃書》確定車體載荷、車體約束和計(jì)算工況。在所有的計(jì)算工況下，一共選擇10種工況來進(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。

選取所有計(jì)算工況中最具有代表性的工況來進(jìn)行分析說明，依據(jù)分析的結(jié)果，最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況是最惡劣的工況，因此該工況也最具有代表性，以下都以該工況進(jìn)行分析說明，在這種工況下，空調(diào)、AB箱、蓄電池箱及空壓機(jī)的重量按照集中載荷施加于設(shè)備重心部位，而其他重量均布車體底架地板上表面。定員乘客重量均布于車體底架地板上表面，底架空氣簧部位施加位移約束。

3.2 靜強(qiáng)度計(jì)算與分析

通過對最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況的計(jì)算結(jié)果分析可知，在該工況下，底架橫梁的最大垂向位移為16.12mm，整車的垂向位移為8.05mm。底架橫梁的Vonmises應(yīng)力為52.3MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度205MPa，可知車體底架橫梁部分的材料有余量，并沒有能夠充分利用。因此對底架橫梁的厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，在保證能夠滿足材料屈服強(qiáng)度的條件下，減小橫梁厚度的尺寸，從而減小車輛的重量，使材料能夠充分地利用，盡可能地減少浪費(fèi)，達(dá)到材料的利用最大化。

4 底架橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

選用最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況進(jìn)行分析說明，在保證車輛安全的條件下減輕車體的自重。減輕車體底架橫梁的重量，在保證車體靜強(qiáng)度的同時，減小車體的自重。觀察分析車體底架的橫梁，對車體的底架橫梁進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

尺寸優(yōu)化是一種細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是設(shè)計(jì)人員在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。它是通過改變結(jié)構(gòu)單元的屬性，例如殼單元的厚度、梁單元的橫截面屬性等。

在尺寸優(yōu)化中，結(jié)構(gòu)單元的屬性，如殼單元的厚度、梁單元的橫截面屬性、彈簧單元的剛度和質(zhì)量單元的質(zhì)量等，可以定義為設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。

對底架橫梁進(jìn)行尺寸優(yōu)化，該橫梁的結(jié)構(gòu)由三部分焊接而成，選取這三部分作為設(shè)計(jì)變量，三個部分的初始尺寸分別為6mm、7mm、8mm。

優(yōu)化的問題描述如下；選取車體底架橫梁的厚度尺寸作為設(shè)計(jì)變量，變化范圍為3mm至8mm，為了保證車體的強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)，在該工況下將材料的屈服極限設(shè)為約束，以車體質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)，對底架三個橫梁的厚度尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

計(jì)算結(jié)果顯示，在該工況下，經(jīng)過5步迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)果收斂，該迭代計(jì)算過程中尺寸變化的過程以及優(yōu)化后的尺寸厚度結(jié)果如表1所示。

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行核對和校驗(yàn)，將迭代后的結(jié)果替換原來的底架橫梁尺寸厚度，在改進(jìn)前，底架橫梁所受的最大應(yīng)力為79.7MPa，小于材料的屈服極限205MPa，滿足材料的靜強(qiáng)度要求。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，底架橫梁的最大垂向位移為16.88mm，與優(yōu)化前相比，位移增加了0.76mm，與原結(jié)構(gòu)相比增大了4.5%，位移變化并不明顯，經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證，局部的靜強(qiáng)度以及剛度滿足要求。下面驗(yàn)證改進(jìn)尺寸后整車的靜強(qiáng)度與剛度，對整車的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，無論何種工況下，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，靜強(qiáng)度滿足要求。改進(jìn)后整車的最大垂向位移為8.06mm，與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)相比位移增加了0.01mm，位移變化很小，經(jīng)過驗(yàn)證，改進(jìn)后的車體也滿足其剛度要求。因此，改進(jìn)后無論是底架橫梁局部的的靜強(qiáng)度和剛度還是整車的靜強(qiáng)度以及剛度都符合要求。

5 結(jié)束語

本文對地鐵鋁合金車體進(jìn)行有限元分析，初始計(jì)算結(jié)果表明在最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況下，中間車體底架橫梁的Vonmises應(yīng)力遠(yuǎn)小于該車體的屈服極限，表明該底架橫梁部分材料還有余量，并沒有能夠充分利用。進(jìn)而對底架橫梁厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，將原來的底架橫梁的尺寸由8mm、7mm、6mm優(yōu)化至3mm，對優(yōu)化后的尺寸進(jìn)行核對和校驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化后的底架橫梁應(yīng)力分布均勻且小于該材料的屈服極限，車體的靜強(qiáng)度以及剛度均符合要求，與改進(jìn)前的底架橫梁相比，改進(jìn)后底架橫梁的質(zhì)量減少了20.89kg，減重比為58.4%，減重效果明顯，達(dá)到了車體減重的目的。

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