張 文 丁旺才 李國芳 張學山

(1.南京鐵道職業(yè)技術學院動力工程學院，210031，南京;2.蘭州交通大學機電工程學院，730070，蘭州;3.北京控股磁懸浮技術發(fā)展有限公司，100029，北京∥第一作者，助教)

城市軌道交通的發(fā)展為現(xiàn)代城市緊張的交通提供了很多便利，磁浮車輛作為城市軌道交通方式的一種，也受到了一定程度的重視。我國從20 世紀80年代起就開始了對磁浮技術的研究，如今，我國已經(jīng)開始自主研發(fā)磁浮車輛。

北京控股磁懸浮技術發(fā)展有限公司是我國擁有自主知識產(chǎn)權的中低速磁浮交通系統(tǒng)供應商。公司以技術研發(fā)、工程管理、車輛制造、服務體系為基礎，依托工程化體系合作單位，實現(xiàn)了交鑰匙工程的磁浮交通系統(tǒng)建設模式。

本文以北控磁懸浮公司的車輛為研究對象，對其進行有限元分析與結構優(yōu)化。

目前城市軌道交通車輛的車體主要由大型中空鋁型材組成，又稱為閉口型材或者雙殼結構。中空材料根據(jù)材料本身所具有的面外剛度高的特性，可以省略在單殼結構中必須使用的加強材料，從而能夠減少零部件數(shù)量，簡化工藝。因此，在進行磁浮車輛車體結構設計時亦采用閉口型材。

1 閉口型材車體強度分析

1.1 閉口型材車體有限元模型

根據(jù)磁浮車輛車體的實際設計參數(shù)，建立了閉口型材車體有限元模型，參見圖1。

圖1 整車模型

1.2 載荷加載

根據(jù)磁浮車輛運行時的受力情況，本文設計了14 種靜強度計算工況，如表1所示。

表1 靜強度計算工況

1.3 靜強度計算

將經(jīng)Hypermesh 軟件處理完成的有限元模型導入Ansys 軟件中進行計算。通過Ansys 軟件的靜強度分析，得到了14 種工況下應力及應變的云圖，下面僅列出車體模型部分部位最大應力超過屈服強度的云圖。

在第1 種靜強度計算工況中，中梁與端梁的連接處(如圖2所示)最大應力為459.222 MPa，超過了此處的材料屈服強度(215 MPa)。

在第2 種靜強度計算工況中，中梁與端梁連接處的最大應力為371.888 MPa，超過了此處的材料屈服強度(215 MPa)，如圖3所示。

在第6 種靜強度計算工況中，即提升整個車輛的強度與變形情況，司機室門柱下角(如圖4所示)，最大應力為319.663 MPa，超過了此處的材料屈服強度(215 MPa)。

在第12 種靜強度計算工況中，中梁與端梁連接處的最大應力為460.248 MPa，超過了此處的材料屈服強度(215 MPa)，如圖5所示。

圖2 第1 種靜強度計算工況應力云圖

圖3 第2 種靜強度計算工況應力云圖

圖4 第6 種靜強度計算工況應力云圖

圖5 第12 種靜強度計算工況應力云圖

2 結構優(yōu)化方案

由上述強度計算結果可知，工況1、2 和12 中出現(xiàn)應力過大，而且應力集中部位發(fā)生在中梁與端梁連接處。經(jīng)分析認為，中梁C 形槽的游離邊的尖點與端梁相接處發(fā)生了應力集中現(xiàn)象。

工程上經(jīng)常有以下3 種處理方法:一是切除C 槽游離邊;二是切斷中梁與端梁的聯(lián)系;三是加截面均勻變化的筋板來消除應力集中?？紤]到切除C 槽游離邊只是將應力集中點轉移，而中梁是車體上傳遞縱向力的重要部件，所以做了部件結構上的改動，改進前、后中梁端連接處的結構如圖6、圖7所示。

圖6 改進前中梁端梁連接處的結構

圖7 改進后中梁端梁連接處的結構

在第6 種工況中司機室門柱的下角也發(fā)生了應力超標的情況。經(jīng)分析，由于結構設計的需要，此處是在邊梁端部進行局部切除后截面突然變小的部位。為了消除應力集中在此部位增加了過渡圓角。改進前、后司機門柱結構如圖8、圖9所示。

圖8 改進前的司機室門柱結構

圖9 改進后的司機室門柱結構

3 優(yōu)化后車體的強度分析

將優(yōu)化后的車體模型導入Ansys 軟件中進行計算，發(fā)現(xiàn)所有部位的應力值都降到了材料屈服應力值以下。

現(xiàn)將優(yōu)化后車體的強度分析結果列出，僅列出之前應力超標的第1、2、6、12 種工況下應力云圖如圖 10～圖 13所示。

4 結語

在研究過程中，車體強度計算是車輛設計過程中最為重要的一部分，因此，本文通過Ansys 軟件對磁浮車輛有限元模型進行了靜強度分析。

圖10 第1 種靜強度計算工況應力云圖

圖11 第2 種靜強度計算工況應力云圖

圖12 第6 種靜強度計算工況應力云圖

圖13 第12 種靜強度計算工況應力云圖

(1)根據(jù)磁浮車輛的受力情況，本文設計了14種靜強度分析的工況，計算了閉口型材車體的應力云圖。結果表明，在工況1、2、6、12 中出現(xiàn)了車體部位應力過大的情況。

(2)根據(jù)計算所得的應力值，對出現(xiàn)最大應力的部位進行了結構上的改進，并將改進后的結構進行靜強度分析。結果表明，結構優(yōu)化后的車體消除了之前出現(xiàn)的應力過大的情況。

車體結構設計要以滿足強度標準的條件為基礎，本文作為基礎設計部分為磁浮車輛的軟件結構設計提供了參考數(shù)據(jù)。

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