宋業(yè)恒（南車青島四方機車車輛股份有限公司,山東　青島　266111）

芻議不銹鋼車體結構設計以及仿真分析

宋業(yè)恒
（南車青島四方機車車輛股份有限公司,山東青島266111）

不銹鋼材料具有耐腐蝕性高、使用周期長、結構輕量化、強度高而且適合運用于點焊工藝等特點，為制造軌道交通車輛車體的理想材料之一。本文將對不銹鋼車體結構設計及其仿真分析做出簡要的介紹。

不銹鋼車體；點焊；連接接頭；仿真分析

不銹鋼車體具有耐腐蝕、耐高溫、結構輕量化、機械性能高、疲勞強度高、使用壽命長以及綜合成本低等優(yōu)點，在各大行業(yè)都占有一定的競爭優(yōu)勢，不銹鋼車體的生產(chǎn)技術的成長已趨于成熟階段。而且不銹鋼有良好的抗升溫能力和抗沖擊性能，可大大提高車體的安全性，隨著科學技術的發(fā)展，不銹鋼車體已經(jīng)大量的應用于軌道車輛的制造，對其的研究價值在不斷地上升。

1　高速不銹鋼車體結構的設計

不銹鋼車體結構的設計經(jīng)歷了以下幾個階段：半不銹鋼車體、全不銹鋼車體和輕型不銹鋼車體。半不銹鋼車體的結構設計存在著許多不足，它的內(nèi)部構件腐蝕后需對其進行修補，而且只是外側板才使用不銹鋼；全不銹鋼車體的結構構件和外板都采用了不銹鋼材質(zhì)，該種車輛和低合金高強度的車輛相比，質(zhì)量降低了20%，基本上不需補修；在進一步輕量化的要求下，開發(fā)出了輕型不銹鋼車體，該車車體結構與全不銹鋼具有同等的強度和剛度，而且車體結構質(zhì)量是一般碳鋼車的63%[1]。車體的骨架結構設計、外板結構設計是不銹鋼車體設計中兩個較關鍵的問題，所以下面主要介紹這兩點。

1.1骨架結構

不銹鋼車體結構的關鍵要素之一是車體骨架的設計。通過對車體骨架連接部位的設計進行分析，可發(fā)現(xiàn)大部分接頭采用立體相接的方法，極大的提高了接頭部位傳遞載荷承受的能力，如底架邊梁與側墻立柱的連接部位，側墻立柱與側墻橫梁的連接部位，車頂彎梁與車頂橫梁的連接部位等。

不銹鋼車體結構采用的是鋼制骨架，開口截面的型材很難完全地傳遞載荷，而且加載之后容易發(fā)生扭曲，因此在設計時要盡量減少單獨對開口截面型材的使用。而箱型截面的型材，可以較為充分的傳遞載荷，同時具有良好的穩(wěn)定性，所以應根據(jù)不同的部位采用型箱截面的型材。

1.2車體外板

考慮到不銹鋼的熱應變較大，為了減小其應變，以往常常將側墻外板做成波紋結構。波紋結構板在橫向和縱向雖然具有剛性，但在剪切方向則較弱，所以在需要傳遞剪切力的地方，必須另外添加剪切板，做起來相當?shù)穆闊2]。因此過去的不銹鋼車體的零件數(shù)多、工藝也比較復雜。目前新型不銹鋼車體所使用的由配置沖壓成的雙薄板已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的側墻波紋板。采用斷面形狀為“凹”，厚為0.8mm的標準化零件沖壓成形內(nèi)板，可用來抵抗剪力翹曲板。為了使外觀看起來更加美觀，使沖壓內(nèi)板長期保持剛性效果，同時使外板厚度降低20%左右，在進行不銹鋼車體的設計時，可降低蒙皮的應用，免除內(nèi)板不強筋的突出問題，同時采用外板和點焊的結合裝配。在進行不銹鋼車體的設計過程中，根據(jù)材料規(guī)格寬度的局限性，側墻板分為：上墻板、下墻板和中墻板三部分制造。為了防止出現(xiàn)翹曲不平的狀況，側門之間應用整張鋼板來制造，車窗周圍的中墻板要用平整度較好的材質(zhì)。車頂板應使用厚度為0.8mm的波紋，目的是為了增大其剛度。

1.3車體結構用不銹鋼

為了提高車體的安全性、可靠性、耐磨性，并且可以增長其使用壽命，應該保證用作車體結構部件的不銹鋼具有高強度和穩(wěn)定性，必須要求車體結構設計使用的不銹鋼具有耐磨性、高強度、良好的彎曲、沖壓和切割效果，其中高強度特別重要，因此在進行設計的時候，基本上都是采用奧氏體不銹鋼作為軌道車輛的基本材料。不銹鋼車體常用材料牌號為SUS301和SUS304奧氏體不銹鋼作為材料。

2　不銹鋼車體仿真分析要點

在進行仿真分析過程中，計算模型的準確性、精度是有限元仿真結果可靠性的關鍵因素。而設計結果的成功與否和所做的仿真分析類型也緊密聯(lián)系，所以在對不銹鋼車體進行仿真分析和有限元建模時，要特別重視以下幾個方面。

對不銹鋼車體做仿真分析需特別注意結構穩(wěn)定性的重要性。這種分析屬于線性分析的范疇，結構實際的失穩(wěn)力遠遠低于結構臨界失穩(wěn)力的事先預測，所以特征值屈曲分析很少應用于工程結構分析。但是在某些方面，特征值屈曲分析的應用還是比較廣泛的，比如它可以用于非線性屈曲分析的初步評估，其中屈曲載荷系數(shù)很重要，因為通過外加載荷和該系數(shù)相乘便是屈曲載荷，根據(jù)其數(shù)值，可判斷出車體是否達到安全系數(shù)。

不銹鋼車體在運用過程中可能會因為操作方法不對，導致出現(xiàn)較大的裂紋，從而很難做到不損害不銹鋼材料性能的前提下對其進行補修，因此在設計車體時應充分把疲勞性能考慮進去，以致于滿足設計壽命，在作出疲勞分析時，應仔細檢查重點受力部位和枕梁附近的焊點情況。

在進行不銹鋼車體仿真分析時，還可能出現(xiàn)另外一個問題“焊點的模擬?！蹦壳昂更c模擬的方法有很多種，其中最主要的幾種為：實體模型、傘狀模型、面接觸模型、實體板殼模型以及C-WELD單元模型等等。有關開發(fā)和研究表明，C-WELDF單元是和實際實驗數(shù)據(jù)最穩(wěn)和的一種焊點單元模式，它的精度較高，而且比實際焊點偏“軟”，因此在實際操作過程中常用該種模式。

軌道交通車輛車體模型是一種大型的模型，在計算分析過程中對結構做出恰當?shù)暮喕怯斜匾?，但是簡化必須科學合理，符合客觀依據(jù)，在建模過程中還應當注意，盡量保持模型的原樣性，不要有太大的差距，特別強調(diào)對骨架結構過渡圓角的保留。對于緊固件的模擬應當采用ACM 2類型的緊固件連接方式。

3　結語

不銹鋼車體結構不僅壽命周期長、而且綜合成本低，具有良好的耐磨性、抗升溫能力和沖擊性能等優(yōu)點，可以充分保證車體的質(zhì)量、安全問題，隨著科學技術的不斷進步，不銹鋼車體的質(zhì)量水平也在不斷提高，在以后的發(fā)展道路中，應大力支持開發(fā)研制不銹鋼車體，實現(xiàn)我國軌道車輛長期穩(wěn)步發(fā)展。

[1]馬秋紅,楊志勇,徐雷等.輕量化不銹鋼車體制造工藝[J].機械制造,2014,52(09).

[2]劉軍,周傳誼.天津地鐵2號線車輛車體鋼結構設計[J].城市軌道交通研究,2014,17(01).