杜鵬成 張蕾 吳磊 蔣大旺 白盈春

摘要：車體強(qiáng)度計(jì)算是軌道車輛車體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程，計(jì)算分析結(jié)果可以作為證明車體設(shè)計(jì)方案合理的的有力依據(jù)，因此對(duì)軌道車輛車體設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)有限元計(jì)算分析顯得尤為重要，本文參照《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范TB/T1335-1996》及《地鐵車輛通用技術(shù)條件-GB7928》的有關(guān)要求，對(duì)地鐵列車不銹鋼車體進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，通過(guò)對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹說(shuō)明并按照車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)車體主結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，依據(jù)車體強(qiáng)度計(jì)算分析結(jié)果對(duì)車體結(jié)果設(shè)計(jì)是否合理做出評(píng)價(jià)說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：軌道車輛;車體;強(qiáng)度

1? 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本計(jì)算研究對(duì)象采用不銹鋼材質(zhì)的新型地鐵車輛。不銹鋼車體的外形采用鼓形斷面。車體由底架、側(cè)墻、端墻、車頂組成。車頂由波紋頂板、乙型梁、空調(diào)平頂?shù)冉M成。側(cè)墻由側(cè)墻板、側(cè)墻立柱、內(nèi)層筋板等組成。端墻由門(mén)立柱、門(mén)橫梁、端墻板、端角立柱等組成。底架由邊梁、橫梁、端部牽、枕、緩等組成。

該車輛的車體主要采用符合JIS4305標(biāo)準(zhǔn)的SUS301L系列的奧氏體不銹鋼，在部分的非承載結(jié)構(gòu)部位也少量采用SUS304材質(zhì)。SUS301L系列的不銹鋼材料具有強(qiáng)度剛度好、抗沖擊性好、耐腐蝕、熔點(diǎn)高以及易于實(shí)現(xiàn)車體輕量化的突出優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)外如日本及西歐各國(guó)軌道車輛制造業(yè)的普遍重視并已有多年運(yùn)用歷史，顯示出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。按照車輛設(shè)計(jì)目標(biāo)，不銹鋼車體應(yīng)有較高強(qiáng)度，各種工況下設(shè)計(jì)應(yīng)力均不超過(guò)許用應(yīng)力，因而使之在規(guī)定的最大載荷下不會(huì)產(chǎn)生永久變形，同時(shí)在30年的設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)不會(huì)發(fā)生早期疲勞破壞。

2? 主要技術(shù)參數(shù)

軸重? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 14t

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架重量? ? ? ? ?2*6.887t

車體長(zhǎng)度 ? 19000mm

車體最大寬度? ? ? ? ? ? 2800mm

轉(zhuǎn)向架軸距? ? ? ? ? ? ? ?12600mm

底架設(shè)備重量? ? ? ? ? ? 3t

空調(diào)重量? ? ? ? ? ? ? ? ? 2*0.65t

超員滿員? ? ? ? 325 人（乘客人均重量按60千克/人）

3? 強(qiáng)度計(jì)算載荷工況

3.1 靜力分析

計(jì)算采用大型通用有限元軟件ANSYS9.0軟件，按照《科教裝[2001]21號(hào)》中靜力分析中載荷及載荷組合工況的規(guī)定進(jìn)行。

各單項(xiàng)載荷：

①垂向載荷。垂向靜載荷包括自重、載重、整備重量。作用在地板面上的均布載荷，采用自下而上的計(jì)算方法，即采用軸重倒算的方法：

a）地板面均布載荷

Fpz=（14×4-2×6.887-3-1.3）×9800/53200000

=0.006986N/mm2

b）下吊件載荷

Fcz1=3×9.8=29.4kN

吊件重量以集中載荷形式施加于其相應(yīng)部位。

c）空調(diào)重量

Fcz2=0.65×2×9.8=12.74kN

空調(diào)重量以集中載荷形式施加在車頂端部的空調(diào)安裝座上。

垂向均布載荷+垂向集中載荷=42.23t

AW0=車輛自重-轉(zhuǎn)向架重量×2=35-13.774=21.226t

動(dòng)車最大超員載客按325人計(jì)算，60kg/人

AW3=AW0+311×0.06=21.226+18.66=39.886t

垂向總載按39.9t加載。

②縱向壓縮載荷Fys

縱向作用車鉤箱800kN的壓縮載荷;

③縱向拉伸載荷Fls

縱向作用車鉤箱640kN的拉伸載荷。

載荷組合工況：

工況1—垂向載荷：載荷①

工況2—垂向總載+縱向壓縮：載荷②

工況3—垂向總載+縱向拉伸：載荷③

3.2 模態(tài)分析

對(duì)車體作整備狀態(tài)下無(wú)約束模態(tài)分析。

4? 建立強(qiáng)度計(jì)算力學(xué)模型

靜態(tài)分析力學(xué)模型：

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)對(duì)稱于縱向中心面，在靜態(tài)分析時(shí)，利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱性準(zhǔn)則，沿車體縱向中心線取其1/2結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型，在對(duì)稱剖面加相應(yīng)的對(duì)稱約束，并按有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，采用了板殼單元。離散后，利用BEAM4單元節(jié)點(diǎn)耦合模擬心盤(pán)承載，實(shí)行垂向約束。1/2車體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型共有：結(jié)點(diǎn)總數(shù)119929，單元總數(shù)127674。

5? 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

靜力分析結(jié)果：

各載荷組合工況的應(yīng)力必須滿足《TB1335-1996》中規(guī)定的載荷許用應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果應(yīng)力為當(dāng)量應(yīng)力，單位為MPa?，F(xiàn)將計(jì)算結(jié)果分述如下：

強(qiáng)度評(píng)定：

①點(diǎn)焊強(qiáng)度參數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，SUS301L（ST）材質(zhì)焊點(diǎn)的強(qiáng)度特性參數(shù)為：

抗拉強(qiáng)度極限為598MPa，抗剪強(qiáng)度極限為631MPa;若取安全系數(shù)為2，則可得到點(diǎn)焊的許用應(yīng)力為：[σ]=298MPa，[？子]=315MPa。中值拉-拉疲勞極限為73.2MPa，可靠度為90%的疲勞極限值為64.6MPa。

②不銹鋼材質(zhì)的靜強(qiáng)度參數(shù)：

工況1—垂向靜載：

1）最大應(yīng)力為236.4.169MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在車頂波紋板與平板區(qū)交界處。

2）車頂最大應(yīng)力為236.4.169MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在一位端車頂邊梁與彎梁相交處。

3）側(cè)墻最大應(yīng)力為118.797MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在一位端門(mén)立柱與窗頂縱梁連接處。

4）底架波紋地板最大應(yīng)力為68.049MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在波紋地板與車端中梁交接處。

5）底架（耐候鋼）最大應(yīng)力為42.709MPa（許用應(yīng)力為236.4MPa），發(fā)生在底架二位端枕梁與縱梁相交處。

工況2—壓縮800kN+垂向總載：

1）最大應(yīng)力為247.104MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在一位端車頂邊梁與彎梁相交處。

2）車頂最大應(yīng)力為247.104MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在一位端車頂邊梁與彎梁相交處。

3）側(cè)墻最大應(yīng)力為169.073MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在一位端第二個(gè)門(mén)立柱與底架邊梁連接處。

4）底架波紋地板最大應(yīng)力為179.503MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在枕邊第一根彎曲橫梁位置波紋地板上。

5）底架（耐候鋼）最大應(yīng)力為123.726MPa（許用應(yīng)力為236.4MPa），發(fā)生在枕梁與邊梁交接處。

工況6—拉伸640kN+垂向總載：

1）最大應(yīng)力為168.462MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在側(cè)墻門(mén)立柱與底架邊梁相交處。

2）車頂最大應(yīng)力為133.837MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在一位端車頂邊梁與彎梁相交處。

3）側(cè)墻最大應(yīng)力為168.462MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在一位端第二個(gè)門(mén)立柱與底架邊梁交接處。

4）底架波紋地板最大應(yīng)力為122.076MPa（許用應(yīng)力為282MPa），發(fā)生在枕邊中梁與波紋地板相交處。

5）底架（非不銹鋼材質(zhì)）最大應(yīng)力為89.554MPa（許用應(yīng)力為236.4MPa），發(fā)生在車鉤箱小孔處。

6? 結(jié)論

以上計(jì)算分析表明各載荷工況的計(jì)算應(yīng)力均小于所采用材質(zhì)的許用應(yīng)力，滿足《TB1335-1996》和《地鐵車輛通用技術(shù)條件-GB7928》的要求。

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