地鐵鋁合金頭車車體疲勞強(qiáng)度分析

楊培義

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，鄭州450046）

0 引言

地鐵鋁合金車體具有輕量化、隔音、隔熱等特點(diǎn)，并且減重效果好、耐腐蝕性強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)性好，在城市軌道交通中應(yīng)用極為廣泛。在目前城軌車輛合同中，都有車體使用壽命的要求，且一般要求是30 年，因此車體疲勞強(qiáng)度的評(píng)定是車體可靠性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[2-3]。在交變載荷作用下，采用模塊化結(jié)構(gòu)的地鐵鋁合金車體的疲勞破壞往往表現(xiàn)在應(yīng)力集中較嚴(yán)重的焊縫接頭、螺栓和鉚釘部位[1-2]。因此，車體焊縫、螺栓和鉚釘連接應(yīng)該是車體結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的主要關(guān)注點(diǎn)[3]。

本文依據(jù)EN12663-1:2010 和EN 1999-1-3:2007標(biāo)準(zhǔn)，采用有限元軟件ANSYS、Ncode Designlife 對(duì)某地鐵列車頭車結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。

1 地鐵頭車鋁合金車體的有限元模型

1.1 車體有限元模型的建立

該型地鐵列車頭車為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，焊接形式主要包括角焊、對(duì)接焊和搭接焊。綜合車體結(jié)構(gòu)的幾何形狀、受力特點(diǎn)以及對(duì)計(jì)算精度的要求，在采用ANSYS 軟件建立頭車車體的有限元模型時(shí)，車體結(jié)構(gòu)采用殼單元離散，主要設(shè)備按照其安裝點(diǎn)的實(shí)際位置，以集中載荷的形式平均作用在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上[4]，焊縫以焊縫處節(jié)點(diǎn)重合的形式模擬。有限元模型采用整車建模，共有1029249 個(gè)節(jié)點(diǎn)和1317874 個(gè)單元。頭車有限元模型如圖1 所示。

圖1 地鐵鋁合金車體頭車的有限元模型

有限元模型中結(jié)構(gòu)、設(shè)備及承載的質(zhì)量符號(hào)說(shuō)明如表1 所示。

表1 質(zhì)量符號(hào)說(shuō)明

1.2 頭車車體疲勞強(qiáng)度的計(jì)算工況

依 據(jù)EN12663-1:2010 和EN 1999-1-3:2007 標(biāo)準(zhǔn)，確定了對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算的15 種載荷工況，如表2 所示。

表2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況

2 疲勞強(qiáng)度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

為了保證頭車車體30 年的最小使用壽命，使用疲勞極限設(shè)計(jì)方法對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命的評(píng)估。材料在某一常幅應(yīng)力下壽命達(dá)到2×106周期，并將此應(yīng)力定義為材料的疲勞極限應(yīng)力。對(duì)于某個(gè)確定的連接部位，取其相應(yīng)應(yīng)力范圍曲線上1×107周期處的疲勞容許用應(yīng)力值。

根據(jù)提供的車輛使用環(huán)境（包括線路長(zhǎng)度、沿途站點(diǎn)個(gè)數(shù)、使用年限、每天運(yùn)營(yíng)時(shí)間等）在AW2 下有關(guān)乘客的兩個(gè)疲勞工況根據(jù)30 年的最小使用壽命計(jì)算出的壽命周期分別為3.395×105和2.037×106。

2.1 焊縫的疲勞許用應(yīng)力

頭車車體主要的焊縫位置如圖2 所示。

圖2 車體主要焊縫

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 1999-1-3:2007 對(duì)焊縫的要求，頭車車體各個(gè)焊縫的疲勞強(qiáng)度如表3 所示，中t 表示板厚（單位mm）。

表3 不同焊縫類型的疲勞強(qiáng)度

2.2 螺栓和鉚釘?shù)钠趶?qiáng)度評(píng)價(jià)

頭車車體結(jié)構(gòu)螺栓和鉚釘?shù)奈恢萌鐖D3 所示，疲勞等級(jí)使用循環(huán)次數(shù)評(píng)價(jià)，許用循環(huán)次數(shù)為1×107。

圖3 車體螺栓和鉚釘?shù)姆植嘉恢?/p>

由于螺栓和鉚釘本身以及附近母材均有可能發(fā)生疲勞裂紋，因此需要分析螺栓和鉚釘附近母材的疲勞特性。螺栓和鉚釘?shù)钠趶?qiáng)度以及附近母材的疲勞強(qiáng)度參考標(biāo)準(zhǔn)EN 1999-1-3：2007 中的規(guī)定，具體如表4 所示。

表4 螺栓類型及其附近母材的疲勞強(qiáng)度

3 地鐵頭車車體疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果

采用ANSYS 軟件和Ncode Designlife 軟件對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行15 個(gè)工況的疲勞強(qiáng)度分析，各個(gè)工況中危險(xiǎn)焊縫位置及其壽命如表5 所示。各個(gè)工況中危險(xiǎn)螺栓、鉚釘位置及其壽命如表6 所示。

其中工況3（車體垂向加速度）中頭車車體焊縫的疲勞壽命云圖如圖4 所示，螺栓和鉚釘?shù)钠趬勖茍D如圖5 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)地鐵鋁合金車體的強(qiáng)度計(jì)算分析可以得出以下結(jié)論：

（1）本文提出的15 個(gè)載荷工況有效地模擬了地鐵鋁合金車輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的狀態(tài)，運(yùn)用這些載荷工況校核車體疲勞強(qiáng)度是合理的。

（2）所有疲勞工況下，車體焊縫、螺栓以及鉚釘?shù)鹊挠?jì)算壽命均滿足30 年的最小使用壽命的要求。

表5 各工況危險(xiǎn)焊縫位置及其壽命

表6 各工況危險(xiǎn)螺栓、鉚釘位置及其壽命

圖4 車體焊縫疲勞壽命云圖

圖5 車體螺栓及鉚釘疲勞壽命云圖