何文佳，許晶晶，陳 瑩，陳 希

(1.大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412000； 2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000； 3.湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

目前，國內(nèi)B型地鐵車體的強度指標(biāo)通常必須滿足抗壓強度1 000 kN、抗拉強度960 kN；高強度B型車體必須滿足A型車體的強度指標(biāo)，即能滿足抗壓強度1 200 kN、抗拉強度960 kN。為滿足高強度指標(biāo)，高強度鋁合金B(yǎng)型車體重量一般達到了6.8 t以上。隨著各地鐵公司對綠色運營、智慧地鐵的要求越來越高，對車輛的重量指標(biāo)控制也越加嚴(yán)格。在滿足高強度指標(biāo)的前提下，對車體進行輕量化設(shè)計的需求變得愈加迫切。

1 車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

通過對高強度B型車體進行有限元分析計算發(fā)現(xiàn)，車體結(jié)構(gòu)在側(cè)墻板、頂蓋邊梁等部件強度余量較大，存在輕量化優(yōu)化設(shè)計空間。同時側(cè)墻板一般采用5塊型材拼焊，焊縫較多，側(cè)墻平面度較難控制；頂蓋一般采用單層頂蓋，頂蓋強度及隔聲性能有待改善；空調(diào)底板及受電弓底板上需要額外焊接縱橫梁、風(fēng)道、布線安裝座，整個頂蓋上安裝座數(shù)量及種類繁多，非常不利于頂蓋的模塊化設(shè)計，整個車體在重量、強度、隔聲、模塊化設(shè)計等方面存在較大的優(yōu)化空間。

1.1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

側(cè)墻結(jié)構(gòu)通常采用40 mm厚度的5塊型材拼焊而成，型材內(nèi)部筋板一般采用斜向布置。為實現(xiàn)輕量化目標(biāo)，將內(nèi)部筋板布置由斜向布置優(yōu)化為橫向布置，如圖1所示。同時，為減少側(cè)墻板焊縫數(shù)量，采用寬體側(cè)墻型材，將組成側(cè)墻板的型材數(shù)量由5塊優(yōu)化為4塊，達到提高側(cè)墻板平面度指標(biāo)的目的。側(cè)墻結(jié)構(gòu)通過輕量化設(shè)計后，側(cè)墻結(jié)構(gòu)可減重60 kg。

1.2 頂蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

B型車頂蓋邊梁通常由邊梁、長梁組焊而成。通過優(yōu)化設(shè)計，將頂蓋邊梁與頂蓋長梁設(shè)計為一種型材結(jié)構(gòu)，取消了頂蓋邊梁與長梁的連接焊縫，有利于減少頂蓋邊梁的變形，同時通過合理調(diào)整頂蓋邊梁內(nèi)部筋板布置，有效實現(xiàn)減重目標(biāo)。頂蓋邊梁優(yōu)化如圖2所示。

(a)優(yōu)化前的側(cè)墻結(jié)構(gòu) (b)優(yōu)化后的側(cè)墻結(jié)構(gòu)

(a)優(yōu)化前的頂蓋邊梁結(jié)構(gòu) (b)優(yōu)化后的頂蓋邊梁結(jié)構(gòu)

圓弧頂蓋由原先的單層頂蓋優(yōu)化為雙層頂蓋結(jié)構(gòu)，通過噪聲測試，優(yōu)化后整車隔聲性能有約3 dB的提升，提高了乘客乘坐舒適度。同時圓弧頂蓋型材根據(jù)縱橫梁、空調(diào)風(fēng)道、頂蓋布線接口設(shè)計為自帶C型槽的結(jié)構(gòu)，極大地減少了各種安裝座的焊接，且安裝的工藝性和效率得到明顯提升。圓弧頂蓋的優(yōu)化如圖3所示。圓弧頂蓋經(jīng)過以上優(yōu)化，節(jié)車可減重230 kg。

(a)優(yōu)化前的圓弧頂蓋結(jié)構(gòu) (b)優(yōu)化后的圓弧頂蓋結(jié)構(gòu)

1.3 底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

底架作為整個車體主要承載結(jié)構(gòu)，承受車體縱向拉壓載荷及乘客垂向載荷的綜合作用。底架結(jié)構(gòu)強度直接決定整個車體的強度指標(biāo)。

底架緩沖梁蓋板圓弧區(qū)域因結(jié)構(gòu)突變，且直接傳遞拉壓載荷，應(yīng)力集中比較明顯。將緩沖梁蓋板由板材結(jié)構(gòu)優(yōu)化為帽形型材結(jié)構(gòu)，使緩沖梁蓋板與緩沖梁連接焊縫遠離圓弧過渡區(qū)域的高應(yīng)力區(qū)，保證結(jié)構(gòu)強度安全。緩沖梁蓋板優(yōu)化如圖4所示。

(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后

Ⅱ端端部結(jié)構(gòu)因車鉤尺寸限制，車鉤安裝孔位于立板外側(cè)，車體在承受縱向拉伸及壓縮力時，車鉤孔區(qū)域會形成一個較大的彎矩，導(dǎo)致該區(qū)域應(yīng)力較大。為避開應(yīng)力集中區(qū)域，將Ⅱ端牽引梁與立板連接焊縫設(shè)置在離車鉤安裝孔225 mm的位置，同時在車鉤板后側(cè)焊接一個L型加強板，有效分擔(dān)部分載荷。Ⅱ端端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖5所示。

圖5 Ⅱ端端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2 有限元驗證分析

2.1 靜強度分析

采用ANSYS軟件對優(yōu)化后的車體靜強度進行有限元分析，并采用車體靜強度試驗對車體強度進行試驗驗證。靜強度驗證結(jié)果如表1所示。

在表1所列的幾個主要靜強度工況，車體關(guān)鍵區(qū)域測點的應(yīng)力均未超過其許用應(yīng)力，且測點的計算值和試驗值吻合得較好。優(yōu)化后車體的靜強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 穩(wěn)定性分析

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算分析是考核當(dāng)結(jié)構(gòu)承受一定載荷時結(jié)構(gòu)發(fā)生線彈性屈曲的臨界載荷。對優(yōu)化后的車體在AW3與車鉤座高度1200 kN縱向壓縮合成工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行計算，計算結(jié)果如表2所示。由計算結(jié)果可知，在屈曲工況下，第一階模態(tài)屈曲載荷因子λ大于標(biāo)準(zhǔn)要求的1.5，且為地板結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)，優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足要求。

表1 主要靜強度工況及結(jié)果

表2 車體車鉤壓縮工況下屈曲分析結(jié)果

2.3 疲勞分析

采用標(biāo)準(zhǔn)DVS 1608《軌道車輛制造領(lǐng)域中鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的形狀和強度評定》規(guī)定的疲勞極限法對優(yōu)化后的車體進行疲勞強度的計算校核。分析結(jié)果表明：優(yōu)化后，車體的關(guān)鍵焊縫最大的材料利用度為0.557，出現(xiàn)在側(cè)墻門角與門立柱的連接焊縫位置。優(yōu)化后車體的疲勞強度滿足設(shè)計要求。圖6為側(cè)墻門立柱與頂蓋邊梁連接焊縫的疲勞強度打點圖，圖7為該位置的材料利用率云圖。

圖6 側(cè)墻門角與門立柱連接焊縫疲勞強度打點圖

圖7 側(cè)墻門角與門立柱連接焊縫材料利用率云圖

3 結(jié)語

本文對高強度B型地鐵車體各部件進行了輕量化分析研究，并實現(xiàn)了車體結(jié)構(gòu)減重300 kg左右的輕量化目標(biāo)。采用有限元分析及試驗手段，對優(yōu)化后車體結(jié)構(gòu)的靜強度、穩(wěn)定性及疲勞強度進行了驗證，結(jié)果表明，輕量化后的車體強度、穩(wěn)定性、疲勞性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。本文的研究成果為高強度輕量化B型地鐵平臺的搭建提供了參考。