王 松 龔 振 張寅河

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，交通擁堵成為各城市面臨的共同問題，發(fā)達(dá)的城市軌道交通系統(tǒng)成為解決交通擁堵問題的必然選擇。地鐵車輛作為城市軌道交通工具，在城市正常運轉(zhuǎn)中發(fā)揮著重要作用，并且其正呈現(xiàn)客戶需求多樣化、運營環(huán)境復(fù)雜化的發(fā)展趨勢。地鐵車輛的設(shè)計在兼顧客戶個性化需求的同時，更應(yīng)該充分考慮運營環(huán)境的要求，具有足夠的結(jié)構(gòu)強度，以確保車輛連續(xù)穩(wěn)定安全運行。本文以某城軌地鐵車輛頭車車體為研究對象，驗證設(shè)計強度與剛度。

1 鋁合金地鐵頭車車體結(jié)構(gòu)

鋁合金城軌地鐵頭車車體采用全長大型中空鋁合金擠壓型材組焊成筒型整體承載結(jié)構(gòu)。由底架、側(cè)墻、車頂、端墻和司機室(僅頭車有)大部件組成，如圖1所示。其中底架作為車體的重要承載部件，主要由通長的地板、端部底架和中部橫梁組成。側(cè)墻(單側(cè))采用雙層中空薄壁型材。車頂由中空擠壓型材阻焊而成的通長弧頂結(jié)構(gòu)。

圖1 頭車車體結(jié)構(gòu)示意圖

2 頭車車體結(jié)構(gòu)有限元計算

2.1 頭車車體結(jié)構(gòu)有限元模型

該頭車車體結(jié)構(gòu)本次分析采用HYPERWORKS有限元軟件進行計算。采用20mm左右的SHELL單元離散車體結(jié)構(gòu)，采用剛性桿單元施加沖擊座載荷、空調(diào)系統(tǒng)載荷和車下吊掛設(shè)備載荷。車體模型包括200萬個單元和180萬個節(jié)點。圖2顯示車體有限元模型，其中X軸、Y軸和Z軸分別表示車體橫向、垂向和縱向。

圖2 頭車車體有限元模型

2.2 頭車車體載荷工況和邊界條件

根據(jù)EN 12663:2010 鐵道應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，對該地鐵進行了9種工況仿真，這9種計算工況分別是：

計算工況1：超員工況；

計算工況2：最大運轉(zhuǎn)載荷工況；

計算工況3：車體自重與1200kN縱向壓縮載荷相結(jié)合的復(fù)合壓縮工況；

計算工況4：超員工況與1200kN縱向壓縮載荷相結(jié)合的復(fù)合壓縮工況；

計算工況5：車身自重與960kN縱向拉伸載荷相結(jié)合的復(fù)合壓縮工況；

計算工況6：超員工況與960kN縱向拉伸載荷相結(jié)合的復(fù)合壓縮工況；

計算工況7：一端抬車工況；

計算工況8：兩端抬車工況；

計算工況9：三點支撐工況。

3 頭車車體結(jié)構(gòu)仿真計算結(jié)果與分析

3.1 變形分析

3.2 應(yīng)力分析

表1列出了該地鐵頭車車體主要零部件的應(yīng)力結(jié)果，并與材料的屈服強度做了對比。

表1 車體主要零部件的最大vonMiss應(yīng)力和屈服強度對比

從表1的對比結(jié)果可以看出，該地鐵頭車車體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都在屈服極限的范圍內(nèi)。

3.3 模態(tài)分析

為了準(zhǔn)確研究車體剛度，計算車體結(jié)構(gòu)模態(tài)。表2列出車體結(jié)構(gòu)模態(tài)的計算結(jié)果。圖3是整車模態(tài)圖。

表2 車體模態(tài)計算結(jié)果

圖3 整車模態(tài)圖

從仿真結(jié)果可以得出，頭車車體結(jié)構(gòu)的一階垂彎頻率為18.2Hz，而在整備狀態(tài)下一階垂彎頻率為10.6Hz，該數(shù)值與運營車輛模態(tài)基本一致，滿足在設(shè)計要求中避開轉(zhuǎn)向架的自振頻率的要求。

4 結(jié)論

本文依據(jù)《EN12663:2010 鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》和城軌地鐵的設(shè)計要求，通過對該地鐵頭車車體結(jié)構(gòu)有限元分析得出以下結(jié)論：

(1)在最大垂向載荷作用下，車體底架邊梁中部斷面處垂直撓度為6.3mm，小于兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間的距離的1‰，該頭車車體剛度滿足GB/T 7928-2003 地鐵車輛通用技術(shù)條件的要求。

(2)該頭車車體結(jié)構(gòu)的各個部件的vonMiss應(yīng)力均小于材料的屈服極限。

(3)該頭車車體結(jié)構(gòu)的一階垂彎頻率為18.2Hz，而在整備狀態(tài)下一階垂彎頻率為10.6Hz，該數(shù)值與運營車輛模態(tài)基本一致，滿足在設(shè)計要求中避開轉(zhuǎn)向架的自振頻率的要求。

綜上所述，該地鐵頭車車體的剛度和靜強度均滿足設(shè)計需求。

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