楊培義

（鄭州鐵路職業(yè)技術學院機車車輛學院，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，并且減重效果好、耐腐蝕性強、運行平穩(wěn)性好，在城市軌道交通中應用極為廣泛。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，因此車體疲勞強度的評定是車體可靠性設計的一項重要指標[2-3]。在交變載荷作用下，采用模塊化結構的地鐵鋁合金車體的疲勞破壞往往表現(xiàn)在應力集中較嚴重的焊縫接頭、螺栓和鉚釘部位[1-2]。因此，車體焊縫、螺栓和鉚釘連接應該是車體結構疲勞評估的主要關注點[3]。

本文依據(jù)EN12663-1:2010 和EN 1999-1-3:2007標準，采用有限元軟件ANSYS、Ncode Designlife 對某地鐵列車頭車結構的疲勞強度進行計算分析。

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構，焊接形式主要包括角焊、對接焊和搭接焊。綜合車體結構的幾何形狀、受力特點以及對計算精度的要求，在采用ANSYS 軟件建立頭車車體的有限元模型時，車體結構采用殼單元離散，主要設備按照其安裝點的實際位置，以集中載荷的形式平均作用在相應的節(jié)點上[4]，焊縫以焊縫處節(jié)點重合的形式模擬。有限元模型采用整車建模，共有1029249 個節(jié)點和1317874 個單元。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

有限元模型中結構、設備及承載的質(zhì)量符號說明如表1 所示。

表1 質(zhì)量符號說明

1.2 頭車車體疲勞強度的計算工況

依 據(jù)EN12663-1:2010 和EN 1999-1-3:2007 標準，確定了對車體結構進行疲勞強度計算的15 種載荷工況，如表2 所示。

表2 疲勞強度計算工況

2 疲勞強度驗收標準

為了保證頭車車體30 年的最小使用壽命，使用疲勞極限設計方法對車體結構進行疲勞壽命的評估。材料在某一常幅應力下壽命達到2×106周期，并將此應力定義為材料的疲勞極限應力。對于某個確定的連接部位，取其相應應力范圍曲線上1×107周期處的疲勞容許用應力值。

根據(jù)提供的車輛使用環(huán)境（包括線路長度、沿途站點個數(shù)、使用年限、每天運營時間等）在AW2 下有關乘客的兩個疲勞工況根據(jù)30 年的最小使用壽命計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)標準EN 1999-1-3:2007 對焊縫的要求，頭車車體各個焊縫的疲勞強度如表3 所示，中t 表示板厚（單位mm）。

表3 不同焊縫類型的疲勞強度

2.2 螺栓和鉚釘?shù)钠趶姸仍u價

頭車車體結構螺栓和鉚釘?shù)奈恢萌鐖D3 所示，疲勞等級使用循環(huán)次數(shù)評價，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趶姸纫约案浇覆牡钠趶姸葏⒖紭藴蔈N 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度

3 地鐵頭車車體疲勞強度分析結果

采用ANSYS 軟件和Ncode Designlife 軟件對車體結構進行15 個工況的疲勞強度分析，各個工況中危險焊縫位置及其壽命如表5 所示。各個工況中危險螺栓、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 結語

通過以上對地鐵鋁合金車體的強度計算分析可以得出以下結論：

（1）本文提出的15 個載荷工況有效地模擬了地鐵鋁合金車輛在運營過程中的狀態(tài)，運用這些載荷工況校核車體疲勞強度是合理的。

（2）所有疲勞工況下，車體焊縫、螺栓以及鉚釘?shù)鹊挠嬎銐勖鶟M足30 年的最小使用壽命的要求。

表5 各工況危險焊縫位置及其壽命

表6 各工況危險螺栓、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