陳太曉 周立剛 張建偉

摘要：文章主要是以外國某型地鐵車輛為這次的研究對(duì)象，然后對(duì)地鐵車輛中的司機(jī)室骨架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和評(píng)估驗(yàn)證，望可以為有關(guān)人員提供到一定的參考和幫助。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;司機(jī)室骨架結(jié)構(gòu);防撞柱

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)了城市化的發(fā)展進(jìn)程。城市人口的增加導(dǎo)致城市交通壓力的增加，地鐵的運(yùn)用能夠有效緩解到城市交通的壓力，方便人們的出行，但其一旦發(fā)生造成的傷亡十分嚴(yán)重。

1.司機(jī)室端部骨架設(shè)計(jì)方案比選

1.1司機(jī)室端部骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

車體端部司機(jī)室骨架的設(shè)計(jì)主要遵照美國標(biāo)準(zhǔn)ASMERT-22014中對(duì)車體設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行。其中對(duì)端部吸能區(qū)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估是通過對(duì)端部承力結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮工況完成。該工況要求對(duì)整車鋼結(jié)構(gòu)（不包括附屬部件）持續(xù)施加一個(gè)縱向載荷，載荷位置為任一防撞柱根部以上457mm處，直至防撞柱出現(xiàn)塑性屈曲。該工況的主要評(píng)判準(zhǔn)則有：1）所施加的縱向加載剛卸載時(shí)，防撞柱中間高度位置處的縱向位移必須超過防撞柱自身縱向長度的1/3;2）防撞柱所受到的屈曲載荷必須大于彈性設(shè)計(jì)載荷;3）所施加的縱向載荷完全卸載后，防撞柱的根部以及頂部與車體端部的連接關(guān)系沒有明顯的分離。根據(jù)以上評(píng)估準(zhǔn)則，可以得出車體端部結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)思路為：1）端部結(jié)構(gòu)必須保證一定的強(qiáng)度，使其臨界屈曲載荷大于彈性設(shè)計(jì)載荷，防撞柱與其他結(jié)構(gòu)連接處要避免應(yīng)力集中;2）端部結(jié)構(gòu)必須保證一定的柔度，使其在塑性屈曲后，變形能達(dá)到評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求;3）防撞柱結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)在垂向方向存在分布梯度，上下端部的剛度應(yīng)大于中間部位，有利于中間部位發(fā)生塑形變形?；谝陨匣驹O(shè)計(jì)思路，本文提出3種車體端部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。其中，方案1防撞柱整體剛度為均勻分布，在加載位置處采用雙橫梁結(jié)構(gòu)加強(qiáng)其底部抗彎剛度;方案2中防撞柱整體剛度呈3段式分布;方案3中防撞柱整體剛度呈4段式分布。

1.2基于有限元分析的方案比選

對(duì)以上3種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元模型的建立。由于防撞柱準(zhǔn)靜態(tài)壓縮以局部變形為主，為遴選合理的設(shè)計(jì)方案，有限元建模只選取前1/3車體結(jié)構(gòu)。由于車體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且主要變形發(fā)生在車體端部，采用統(tǒng)一網(wǎng)格大小無法同時(shí)兼顧計(jì)算效率與結(jié)果精度。因此在實(shí)際有限元模型中，車體端部變形集中區(qū)域的網(wǎng)格大小為2mm，其余橫梁，邊梁等連接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大小逐漸過渡至5mm，端部以后結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸基本為10mm。為了表征材料屈服后的塑形硬化行為，選用雙線性材料模型進(jìn)行模擬。

2.整車準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1試驗(yàn)布置與測試方法

該試驗(yàn)通過將1節(jié)地鐵車輛車體鋼結(jié)構(gòu)放置于彈塑性試驗(yàn)臺(tái)上，由2個(gè)帶測力傳感器的垂向支撐裝置模擬轉(zhuǎn)向架將車體支撐在標(biāo)準(zhǔn)軌道上。縱向方向上，一端由固定于剛性墻上的約束裝置支撐，另一端通過彈塑性加載裝置進(jìn)行加載。為了防護(hù)由偏心載荷而引起的車體轉(zhuǎn)動(dòng)或橫向運(yùn)動(dòng)，在車體兩側(cè)分別設(shè)置4個(gè)橫向止擋裝置，其中最靠近加載端的橫向止擋附帶安裝測力傳感器，用以測試橫向約束力。各測力傳感器的編號(hào)為LC01～LC10。為了詳細(xì)描述防撞柱主要壓潰位置的變形量，對(duì)其各個(gè)高度位置的位移量進(jìn)行測試。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

車體局部結(jié)構(gòu)有小的二次變形。碰撞柱或其與車身的連接沒有明顯的斷裂。周圍連接部件的變形也很小，沒有斷裂的跡象。對(duì)碰撞柱準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)來源是位移和力的測量。位移計(jì)測試數(shù)據(jù)顯示在縱向載荷剛剛卸載時(shí)，碰撞柱中間高度位置（LVDT4）的位移值為195mm，遠(yuǎn)大于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)要求的72mm。通過安裝在加載裝置上的測力傳感器獲得加載力的測試值，在剛性墻約束端也有3個(gè)測力傳感器，將其數(shù)據(jù)相加可以得到約束端的支反力?？傮w上，加載端的載荷與約束端的反作用力相當(dāng)吻合。然而，隨著位移量的增加，加載力比支反力高出約50kN（總共約800kN）。所測得的加載力與支反力產(chǎn)生差異的主要原因是碰撞柱變形時(shí)所產(chǎn)生垂向力作用的結(jié)果。

3.數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證有限元建模方法的準(zhǔn)確性和有效性，為后續(xù)的分析研究提供基礎(chǔ)，按前文所述方法對(duì)整車準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)工況進(jìn)行建模并計(jì)算，將有限元結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。總體上，防撞柱的整體變形模式和局部屈曲行為非常相似。有限元計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的響應(yīng)規(guī)律十分相似，但計(jì)算結(jié)果的位移值略大于試驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)。仿真計(jì)算得到的力?位移曲線與試驗(yàn)測得的力?位移曲線的比較。對(duì)比結(jié)果表明，仿真結(jié)果與測試結(jié)果有較好的一致性，但有限元計(jì)算的結(jié)果比實(shí)際試驗(yàn)中得到的響應(yīng)要強(qiáng)烈一些。這主要是由3方面的原因造成的：1）端部底架結(jié)構(gòu)也是有較大變形的，在仿真中這部分結(jié)構(gòu)的剛度模擬偏大，因而對(duì)壓潰力的貢獻(xiàn)要更大一些，所以計(jì)算結(jié)果中壓潰力要稍大于試驗(yàn)結(jié)果;2）仿真計(jì)算采用顯式動(dòng)力學(xué)方式計(jì)算，為了提高計(jì)算速度，對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)的模擬采用了提高加載速度的方法，這不可避免地引入了一些動(dòng)態(tài)效應(yīng)，因此會(huì)使變形程度更大一些;3）試驗(yàn)測試中同樣存在一些引入誤差的可能，加載裝置并不能保證絕對(duì)剛性，其微小的彈性形變會(huì)使位移測試結(jié)果變大，使得防撞柱的力?位移特性，即整體剛度減弱。

4.結(jié)束語

通過對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行有限元的仿真計(jì)算，同時(shí)分析了測試的數(shù)據(jù)，在分析過程中發(fā)現(xiàn)兩者在整體規(guī)律上有著姣好的統(tǒng)一性，為后續(xù)的研究奠定良好的基礎(chǔ)。

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