□ 柴振華

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 研究背景

隨著軌道交通車輛向智能化、輕量化發(fā)展,智能化車輛在傳統(tǒng)車輛的基礎(chǔ)上增加了智能化設(shè)備,而各型車輛均有安全軸重上限,因此對軌道交通車輛輕量化提出了更高的要求[1]。軌道交通車輛輕量化不僅可以提速降噪,減少能源消耗和碳排放,而且可以改善輪軌磨耗,降低軌道交通線路的維護費用[2]。鋁型材相比傳統(tǒng)鋼板具有更高的剛度質(zhì)量比,在軌道交通車輛車體頂部、底板、側(cè)墻、端墻部件上得到了全面應(yīng)用[3]。對鋁型材強度計算方法進行研究,以得到更優(yōu)的輕量化方法,具有現(xiàn)實意義。

2 型材強度仿真

目前,軌道交通車輛主機廠都是運用有限元仿真技術(shù)來評估新設(shè)計車輛的強度的[4]。受限于車體尺度,考慮計算規(guī)模,在車體建模時,對車體用殼單元劃分,如圖1所示,對鋁型材用等厚殼單元來簡化模擬,如圖2所示。

圖2 鋁型材模型

對于型材交叉處,理論上可以采用變厚殼單元來模擬,但模擬時難以用變厚殼來準(zhǔn)確建模[5]。實體單元也可以用于材交叉處模擬,并且從理論上而言,實體單元比殼單元更適用于鋁型材的強度評估。筆者對比等厚殼單元和實體單元的型材計算分析結(jié)果,驗證采用實體單元模擬的優(yōu)越性。

為了確保計算精度,型材厚度方向分布三層單元,圓角處均劃分為規(guī)則六面體單元[6]。型材實體單元模型如圖3所示。在相同的單元尺寸條件下,型材實體單元模型的規(guī)模為殼單元模型的3倍,極大增加了計算耗時。因此,車體采用殼單元模擬,結(jié)合型材子模型進行計算對比,從車體計算結(jié)果中識別型材應(yīng)力超標(biāo)處,作為型材模型的計算邊界[7-9]。

圖3 型材實體單元模型

為對比鋁型材分別采用殼單元和實體單元仿真計算的結(jié)果,約束鋁型材一端,在鋁型材的另一端分別施加豎直向力、橫向力、縱向力,以及加速度,采用簡化工況[10-11],見表1。

表1 簡化工況

以型材縱向中間截面上節(jié)點的位移及應(yīng)力作為考察對比項,這些節(jié)點均在型材交叉處,且位置對應(yīng),如圖4所示。型材模型位移云圖如圖5所示,應(yīng)力云圖如圖6所示,節(jié)點位置的位移和應(yīng)力見表2。

圖4 節(jié)點位置

圖5 型材模型位移云圖

圖6 型材模型應(yīng)力云圖

表2 節(jié)點位置位移和應(yīng)力

工況二、工況三、工況四和工況五、工況六、工況七分別驗證了型材殼單元模型、實體單元模型的位移、應(yīng)力與受載存在線性關(guān)系,這種線性關(guān)系同樣適用于車體強度計算標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1—2010《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求 第1部分:機車和乘用車(及貨運車輛的替換法)》中的靜強度工況。

3 輕量化對比

軌道交通車輛車體型材質(zhì)量在車體質(zhì)量中占比很高,通常為50%左右,且A型車鋁型材質(zhì)量達到約12 t。當(dāng)車體需要輕量化時,減輕型材質(zhì)量效果比較明顯?；诠r一、工況二、工況五,對比殼單元、實體單元和輕量化后實體單元模型節(jié)點處位置的位移及應(yīng)力,見表3。在進行輕量化時，將型材的上下面板厚由2.8 mm減小至2.7 mm,斜筋板厚由2.5 mm減小至2.3 mm,豎筋板厚由3.0 mm減小至2.7 mm,型材單位長度質(zhì)量由14.74 kg減輕為14.11 kg,減幅為4.27%。

表3 節(jié)點位置位移和應(yīng)力對比

4 研究結(jié)論

由表2可見,相較于殼單元,采用實體單元模擬時,鋁型材模型節(jié)點位置的位移和應(yīng)力至少可以減小4.5%。在對具體軌道交通車輛進行強度分析時,應(yīng)該對型材結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬和實體單元模擬進行對比,獲得最小的差幅值,這一差幅值可以作為型材應(yīng)力的修正因子。

由表3可見,鋁型材輕量化后實體單元模型節(jié)點位置位移與應(yīng)力處于未輕量化殼單元模型和實體單元模型之間。當(dāng)軌道交通車輛強度結(jié)果滿足要求時,如果有輕量化需求,可以進一步采用實體單元對型材結(jié)構(gòu)進行強度分析,指導(dǎo)型材輕量化,輕量化幅度取決于具體的型材結(jié)構(gòu)。