鋁合金鼓形車(chē)體結構設計與計算分析

　　摘要：文章介紹了一種B型鋁合金鼓形車(chē)體結構的輕量化設計，建立了該車(chē)體結構的有限元模型，并依據相關(guān)標準分析了其在各個(gè)工況下的應力、變形及模態(tài)頻率。結果表明，該車(chē)體結構的強度和剛度均滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)要求。

　　關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛鼓形車(chē)體有限元鋁合金

　　0.引言

　　本文介紹的是一款具有流線(xiàn)外形，采用輕量化設計，適合在城市高架線(xiàn)路上運營(yíng)的全新B型鋁合金鼓形車(chē)體。得益于鋁合金型材擠壓技術(shù)和折彎技術(shù)的日益成熟，車(chē)體輕量化設計的可靠性和穩定性得到了有力保證。 本設計存在兩大技術(shù)難點(diǎn)：其一是據現有擠壓和焊接工藝，設計滿(mǎn)足全壽命使用要求的輕量化車(chē)體結構;其二是設計滿(mǎn)足流線(xiàn)形頭罩安裝的功能情司機室骨架結構。本文將就上述兩點(diǎn)分析車(chē)體結構，并利用有限元方法對其結構強度和模態(tài)振型進(jìn)行分析。

　　1.車(chē)體結構設計

　　本輕量化車(chē)體為整體承載的鋁合金全焊接結構，由底架、側墻、端墻、車(chē)頂和司機室骨架結構等部分組成，如圖1所示。其主要技術(shù)參數如下： 長(cháng)度/mm 19300 最大寬度/mm 2800 高(軌面至車(chē)頂)/mm 3687 車(chē)輛定距/mm 12600 車(chē)門(mén)間距/mm 4450 車(chē)體自重/t6.6 整備重量/空載( AWO)/t 31 超載( AW3)/人 326 設計時(shí)速/km/h 90 車(chē)體鼓形斷面以車(chē)輛限界為基礎確定車(chē)體外部輪廓線(xiàn)及車(chē)體鼓形拐點(diǎn)，充分利用了限界空間，擴展了車(chē)輛內部的乘客站立空間。圖2為車(chē)體結構斷面圖。

　　1.1 車(chē)體主體結構型材設計

　　車(chē)體的主體結構均為大斷面中空型材，主要有底架邊梁、車(chē)頂邊梁、端墻、門(mén)立柱、側墻板、底架地板等，其總重占車(chē)體重量達80%。目前，國內企業(yè)能擠壓出滿(mǎn)足鐵路應用要求的鋁合金型材最小壁厚為2mm，隨著(zhù)截面增大和內部筋板厚度的降低，擠壓難度增加;在車(chē)體焊接方面，國內主要采用MIG焊，且隨著(zhù)鋁合金板厚的降低，其焊接難度和變形是不斷增大的。同時(shí)，考慮焊接質(zhì)量和安全性，主體結構須保證連接處型材外壁具有足夠的厚度。

　　一般情況下，車(chē)頂邊梁和長(cháng)梁型材均采用大斷面、稀疏而厚度較大的筋板，直接導致了車(chē)頂重量的增加。這里通過(guò)合理配比筋板數量、截面材料利用率等，使重量大幅下降。與以往在長(cháng)梁型材上加工空調梁不同，本結構單獨設計空調梁并阻焊在長(cháng)梁上，節省了大量的材料和加工成本，如圖3車(chē)頂邊梁、長(cháng)梁和空調梁組裝圖。

　　側墻板型材斷面大量采用三角形或梯形截面，3 -4mm的外壁和2-3mm的內筋板，保證了側墻的平面度和剛度，其型材見(jiàn)圖4。門(mén)立柱采用“日”字型腔，較小的壁厚就能達到很好的折彎性能和剛度，結構如圖5。

　　底架邊梁內筋板厚度為3-4mm，外壁厚度約5mm，保證了結構剛度和焊接性，如圖6底架邊梁型材圖。為簡(jiǎn)化安裝和增加長(cháng)地板的設備懸掛能力，長(cháng)地板上分布了大量的C形槽，如圖7a長(cháng)地板型材圖。

　　端墻包括端墻立柱和墻壁，為了保證端墻的穩定性，采用了一塊整體型材，如圖7b端墻型材。

　　1.2 司機室結構設計

　　司機室采用流線(xiàn)形設計，其骨架結構須滿(mǎn)足三個(gè)功能：一是強度要求;二是使司機室空間最大化;三是匹配頭罩，預留足夠的安裝空間。

　　圖8是司機室骨架結構圖，其設計重難點(diǎn)包括以下幾個(gè)部分：

　　1)主橫梁及支撐立柱。為增加連接的可靠性，應增加主橫梁與門(mén)立柱的焊縫長(cháng)度，同時(shí)預留頭罩粘接區域。主橫梁與門(mén)立柱焊接區域要避開(kāi)門(mén)立柱的折彎區，同時(shí)應考慮司機操縱臺的主要是安裝及視野開(kāi)度等對主橫梁的高度要求。

　　2)縱梁。司機室門(mén)立柱變形主要是主橫梁縱向擠壓引起的。為減小門(mén)立柱的變形，分散縱向力，這里設置縱梁與主橫梁相接，將縱向力傳遞到車(chē)頂，并在縱梁彎曲前段設置了三根彎橫梁，向門(mén)立柱上部傳力。此外，縱梁仰角、折彎半徑和斷面尺寸是設計中優(yōu)化的重點(diǎn)。

　　3)彎橫粱。結構設計的關(guān)鍵在于設計適當的彎曲半徑、U型材的截面和撐板等。

　　4)與接口有關(guān)的功能結構設計，主要有前窗上橫梁和短縱梁。

　　2.有限元建模

　　2.1有限元模型

　　本計算采用I-deas仿真軟件，根據車(chē)體型材和板材的不同厚度，將三維模型簡(jiǎn)化為不同板厚的幾何中面，而后離散為具有相同材料屬性的網(wǎng)格模型。計算模型包括196687個(gè)節點(diǎn)，250688個(gè)殼單元，其中四邊形殼單元( she11)245329個(gè)，三角形殼單元5357個(gè)，剛體單元2個(gè)。

　　2.2計算工況

　　參照標準EN12663—2000:鐵路車(chē)輛車(chē)體的結構強度要求，共計算了22種工況，主要考核工況如下。

　　工況O:AWO空載工況;

　　工況1:AW3超載工況，客室區站立區9人/m2;

　　工況2：1.3倍AW3工況;

　　工況3：工況1+縱向800kN壓縮力;

　　工況4：工況l+縱向640kN拉伸力;

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