B型地铁车车体强度研究

摘 要:以某B型地铁车车体为研究对象，根据车体的实际结构在分析软件中创建了地铁车动车的薄壳单元有限元模型，在此基础上，进行了车体的刚度和静强度有限元分析，对车体的薄弱部位进行了结构优化改进，并将最终的分析结果与工厂提供的实测数据进行对比研究，给出了对比结论和两种结果的一致性分析。

关键词: B型地铁；有限元仿真分析；刚度；静强度

中图分类号：U231文献标识码： A

Analysis of the Body Strength of the B-type Subway Car

FU Guang-tao

Tianjin Metro Operation Co., Ltd.

Abstract: Taking a B-type metro car body for the study, according to the actual structure of the body, create a shell finite element model subway car EMU in the analysis software. On this basis, we give the body the finite stiffness and strength of static element analysis. The weak parts of the body were optimized to improve the structure and comparative studies measured data and the final results of the analysis provided by the factory, given the results of a comparison of two conclusions and consistency analysis.

Keywords: B-type metro; FEA; stiffness；Strength of static.

1. 引言

近年来我国的国民经济持续快速发展，城市中的人口数量急剧增加，人们对城市轨道车辆的快捷、轻便有了更迫切的要求。另外，城市地铁具有安全运行稳定性高、客运量大和节能环保等优点。B型地铁车长度为19米，宽度为2.8米，高度为3.8米，具有轻量、高速、便捷的优点，目前天津地铁1、2、3号线都采用这种车体。

对B型地铁车体性能的评定主要依据《EN12663-2010铁路应用-铁道车辆车体结构要求》[1]。设计载荷和分析工况的选取大都依据此标准。有时也会参照其他标准，诸如《TB1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》、《GB/T7928-2003地铁车辆通用技术条件》等[2]。

本文选取某B型地铁车动车进行车体强度分析研究，车体为铝合金型材，主要结构组成为：侧墙、底架、车顶、端墙。挤压铝型材采取焊接形式，为减小焊接变形局部位置采用段焊形式。

2. 有限元建模

车辆的总重对车体强度分析结果有直接的影响，越重则对刚度和强度的要求就越大高。因此，有限元建模的核心问题就是如何处理好整车所有的质量。车体质量比较关键的控制点有AW0-整备质量、AW3-超载质量等。车体所包含的主结构、零部件、安装设备的质量一般称为整备质量；车体在超员载客状态下的总重则称为超载质量。日常地铁运营的早晚高峰时刻，车体大多是处在接近超载的情况下，因此，对超载工况的考察也就相当重要。

在对此动车进行建模时，要把所有对车体刚度、强度有影响的因素都包含进来。尤其是动车底架所悬挂的VVVF箱、滤波电抗器、风缸等较重的设备在建模中一定要有具体的体现。考虑到本车具有1/4对称性，为提高效率，可以先进行1/4建模，然后再通过两次对称得到整体模型。整车主结构部分采用任意四节点等参薄壳单元模拟，设备质量采用RBE3悬挂MASS单元的方式。比较小的设备重量以及乘客重量则作为整体质量平铺车体底架。对于受力较复杂的牵引梁、枕梁等局部部位采用了实体单元建模。此种模拟方式能够较准确的体现实际中的车体情况。建模完成后，整车结构包含1130745个单元和987512个节点。

3. 强度评价标准及载荷工况施加

根据EN12663-2010标准，此B型车属于P-Ⅲ型车（快速交通车辆、地铁、轻轨车之类）。

刚度表征结构抵抗变形的能力，是结构评定的一个最基本指标。影响刚度大小的因素主要有两个：1）结构所用材料自身的性质；2）结构的截面或断面形状[3]。本文对刚度评定的施加载荷取自EN12663-2010，评价标准依据GB/T7928-2003：车体超员载客AW3情况下，车体中心线处底架边梁下翼缘的垂向位移最大值不能超过12.6mm[4]。静强度的大小则取决于本身的材质构成及实际中的受力状况。本文对静强度的评定要求是：所有工况下，车体各部位的应力值均不能超过其所用材质的许用应力。本车体所用铝合金型材屈服极限为210MPa，母材许用应力为182MPa，焊缝处许用应力为137MPa，弹性模量为69GPa。参照以上标准要求，本文着重选取了三个工况进行分析研究：

工况1：最大运营载荷（1.3*AW3)

垂向载荷：（整备重量AW0 +330人载客重量）*1.3

载荷包括：有限元模型重；设备重量；车体内装重量；330载客重量，人均质量60kg。

位移约束：纵向约束施加于车体一位端车钩安装座中心处，垂向约束施加于空簧处，横向约束施加于车体一侧空簧处。

工况2： AW3状态，车钩安装座中心处施加800kN压缩载荷

垂向载荷：整备重量AW0 +330人载客重量；

纵向载荷：800kN压缩力施加于二位端车钩安装座中心处；

位移约束：同工况1。

工况3： AW3状态，车钩安装座中心处施加640kN拉伸载荷

垂向载荷：同工况2；

纵向载荷：640kN拉伸力施加于二位端车钩安装座中心处；

位移约束：同工况1。

4. 初始计算结果与结构改进

在工况1（1.3*AW3)作用下，车体中心线处的底架边梁下翼缘的垂向位移大小是11.024mm，小于上述标准规定的设计许用值12.6mm，所以此车体的刚度满足要求。

通过对静强度的计算结果进行分析研究，发现工况2作用下，在底架边梁与牵引梁连接位置下方应力大小为205MPa，此值虽然没有超过屈服极限210MPa，但是已经超出了母材的许用应力182MPa，由此，必须进行改进。经过多次的对比研究，最终选择了采取以下措施：在边梁与牵引梁连接位置焊接三角形补板。对改进后的模型进行整车有限元计算，发现原先应力超标位置的应力大小为170MPa，新焊接补板焊缝处最大点的应力大小为121MPa，均满足要求，改动附近也没有再出现应力超标的点。因此，改进结构后整车的静强度满足标准要求。

5. 仿真结果与实测数据对比研究

把有限元分析结果与车体在试验中的实测数据进行对比研究，发现两者相似度极高，整体偏差小于7%。这客观上说明了采用有限元仿真技术对地铁列车进行车体强度研究，能够得到与实际十分相似的分析结果，两者具有很好的一致性。

6. 结论

采用有限元法对地铁列车进行研究，能够得出较精确的整车应力水平，发现车体的应力薄弱部位，并提出切实性的结构改进措施。这对天津地铁5、6号线的车体研发设计具有指导意义。

参考文献

[1] EN12663-2010铁路应用-铁道车辆车体结构要求[S]．欧洲标准．2010

[2] 中华人民共和国铁道部．TB/T1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S]．中华人民共和国铁道行业标准. 1996

[3] 丁皓江，何福保．弹性塑性力学中的有限单元法[M]．北京：机械工业出版社，1989

[4] 周建兴. 客车车声整体骨架强度与局部应力集中分析[D]. 武汉理工大学, 2004.