鋁合金鼓形車體結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析

1、<p>　　鋁合金鼓形車體結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析</p><p>　　摘要：文章介紹了一種B型鋁合金鼓形車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，建立了該車體結(jié)構(gòu)的有限元模型，并依據(jù)相關(guān)標準分析了其在各個工況下的應(yīng)力、變形及模態(tài)頻率。結(jié)果表明，該車體結(jié)構(gòu)的強度和剛度均滿足相關(guān)技術(shù)要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：地鐵車輛鼓形車體有限元鋁合金</p><p><b>　

2、　0．引言</b></p><p>　　本文介紹的是一款具有流線外形，采用輕量化設(shè)計，適合在城市高架線路上運營的全新B型鋁合金鼓形車體。得益于鋁合金型材擠壓技術(shù)和折彎技術(shù)的日益成熟，車體輕量化設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性得到了有力保證。 本設(shè)計存在兩大技術(shù)難點：其一是據(jù)現(xiàn)有擠壓和焊接工藝，設(shè)計滿足全壽命使用要求的輕量化車體結(jié)構(gòu)；其二是設(shè)計滿足流線形頭罩安裝的功能情司機室骨架結(jié)構(gòu)。本文將就上述兩點分析車體結(jié)構(gòu)，

3、并利用有限元方法對其結(jié)構(gòu)強度和模態(tài)振型進行分析。</p><p><b>　　1．車體結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　本輕量化車體為整體承載的鋁合金全焊接結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻、車頂和司機室骨架結(jié)構(gòu)等部分組成，如圖1所示。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 長度/mm 19300 最大寬度/mm 2800 高(軌面至車頂)/mm 3687 車輛定距/mm 12600 車門間

4、距/mm 4450 車體自重／t6.6 整備重量／空載( AWO)/t 31 超載( AW3)／人 326 設(shè)計時速/km/h 90 車體鼓形斷面以車輛限界為基礎(chǔ)確定車體外部輪廓線及車體鼓形拐點，充分利用了限界空間，擴展了車輛內(nèi)部的乘客站立空間。圖2為車體結(jié)構(gòu)斷面圖。</p><p>　　1.1 車體主體結(jié)構(gòu)型材設(shè)計</p><p>　　車體的主體結(jié)構(gòu)均為大斷面中空型材，主要有底架邊梁、車

5、頂邊梁、端墻、門立柱、側(cè)墻板、底架地板等，其總重占車體重量達80%。目前，國內(nèi)企業(yè)能擠壓出滿足鐵路應(yīng)用要求的鋁合金型材最小壁厚為2mm，隨著截面增大和內(nèi)部筋板厚度的降低，擠壓難度增加；在車體焊接方面，國內(nèi)主要采用MIG焊，且隨著鋁合金板厚的降低，其焊接難度和變形是不斷增大的。同時，考慮焊接質(zhì)量和安全性，主體結(jié)構(gòu)須保證連接處型材外壁具有足夠的厚度。</p><p>　　一般情況下，車頂邊梁和長梁型材均采用大斷面、稀

6、疏而厚度較大的筋板，直接導(dǎo)致了車頂重量的增加。這里通過合理配比筋板數(shù)量、截面材料利用率等，使重量大幅下降。與以往在長梁型材上加工空調(diào)梁不同，本結(jié)構(gòu)單獨設(shè)計空調(diào)梁并阻焊在長梁上，節(jié)省了大量的材料和加工成本，如圖3車頂邊梁、長梁和空調(diào)梁組裝圖。</p><p>　　側(cè)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(nèi)筋板，保證了側(cè)墻的平面度和剛度，其型材見圖4。門立柱采用“日”字型腔，較小的壁厚

7、就能達到很好的折彎性能和剛度，結(jié)構(gòu)如圖5。</p><p>　　底架邊梁內(nèi)筋板厚度為3-4mm，外壁厚度約5mm，保證了結(jié)構(gòu)剛度和焊接性，如圖6底架邊梁型材圖。為簡化安裝和增加長地板的設(shè)備懸掛能力，長地板上分布了大量的C形槽，如圖7a長地板型材圖。</p><p>　　端墻包括端墻立柱和墻壁，為了保證端墻的穩(wěn)定性，采用了一塊整體型材，如圖7b端墻型材。</p><p&g

8、t;　　1.2 司機室結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　司機室采用流線形設(shè)計，其骨架結(jié)構(gòu)須滿足三個功能：一是強度要求；二是使司機室空間最大化；三是匹配頭罩，預(yù)留足夠的安裝空間。</p><p>　　圖8是司機室骨架結(jié)構(gòu)圖，其設(shè)計重難點包括以下幾個部分：</p><p>　　1)主橫梁及支撐立柱。為增加連接的可靠性，應(yīng)增加主橫梁與門立柱的焊縫長度，同時預(yù)留頭罩粘接區(qū)域。主

9、橫梁與門立柱焊接區(qū)域要避開門立柱的折彎區(qū)，同時應(yīng)考慮司機操縱臺的主要是安裝及視野開度等對主橫梁的高度要求。</p><p>　　2)縱梁。司機室門立柱變形主要是主橫梁縱向擠壓引起的。為減小門立柱的變形，分散縱向力，這里設(shè)置縱梁與主橫梁相接，將縱向力傳遞到車頂，并在縱梁彎曲前段設(shè)置了三根彎橫梁，向門立柱上部傳力。此外，縱梁仰角、折彎半徑和斷面尺寸是設(shè)計中優(yōu)化的重點。</p><p>　　3)

10、彎橫粱。結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于設(shè)計適當?shù)膹澢霃健型材的截面和撐板等。</p><p>　　4)與接口有關(guān)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要有前窗上橫梁和短縱梁。</p><p><b>　　2．有限元建模</b></p><p><b>　　2.1有限元模型</b></p><p>　　本計算采用I-deas仿真

11、軟件，根據(jù)車體型材和板材的不同厚度，將三維模型簡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個節(jié)點，250688個殼單元，其中四邊形殼單元( she11)245329個，三角形殼單元5357個，剛體單元2個。</p><p><b>　　2.2計算工況</b></p><p>　　參照標準EN12663—2000:鐵路車輛車體

12、的結(jié)構(gòu)強度要求，共計算了22種工況，主要考核工況如下。</p><p>　　工況O:AWO空載工況；</p><p>　　工況1:AW3超載工況，客室區(qū)站立區(qū)9人/m2；</p><p>　　工況2：1.3倍AW3工況；</p><p>　　工況3：工況1+縱向800kN壓縮力；</p><p>　　工況4：工況l+縱

13、向640kN拉伸力；</p><p>　　工況5：工況0+縱向300kN前窗壓力；</p><p>　　工況6：工況0+縱向300kN后端墻壓力；</p><p>　　工況7：帶轉(zhuǎn)向架四點架車，每個轉(zhuǎn)向架5.75t；</p><p>　　工況8：復(fù)軌工況，垂向AWO+頂車端轉(zhuǎn)向架重量5.75t，；</p><p>　　

14、工況9：牽引梁三點架車，垂向AWO，一頂車點放開垂向約束；</p><p>　　工況10:枕梁三點架車，垂向AWO，一架車點放開垂向約束。</p><p><b>　　3．結(jié)果分析</b></p><p><b>　　3.1車體變形</b></p><p>　　AW3狀態(tài)下，相對于無重力狀態(tài)，底架邊

15、梁的最大垂向位移為7.3mm。根據(jù)GB/T7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》標準，“在最大垂直載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離的1%‰”，該車的兩轉(zhuǎn)向架支撐點之間距離為12600mm，所以該鋁合金車體的剛度符合要求。</p><p><b>　　3.2應(yīng)力分析</b></p><p>　　設(shè)計許用應(yīng)力[σ]是由材料極限應(yīng)力除以相應(yīng)的安全系數(shù)得到

16、的。應(yīng)用中根據(jù)設(shè)計工況出現(xiàn)的概率和重要程度來確定安全系數(shù)的大小。如運營載客工況，選用較高的安全系數(shù)1.3，復(fù)軌架車工況等選用較低的安全系數(shù)1.1。根據(jù)材料和制造工藝的不同，計算結(jié)果應(yīng)相對安全系數(shù)有一定的裕量。</p><p>　　超載狀態(tài)下車鉤壓縮載荷工況，車體各主要零部件的應(yīng)力如表1所示。</p><p>　　圖10-13是各極限工況下的危險點應(yīng)力云圖。計算結(jié)果顯示，各工況下車體結(jié)構(gòu)及焊

17、縫的計算應(yīng)力均小于相應(yīng)許用應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。</p><p><b>　　4．模態(tài)分析</b></p><p>　　模態(tài)分析可以計算車體結(jié)構(gòu)的固有頻率和確定車體的振型，而固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。同時，模態(tài)分析還可用于判斷結(jié)構(gòu)的整體或局部的剛度。為提高車體剛度，保證車輛在要求的空間限界內(nèi)，避免由于外界激振引起車體的不良動態(tài)響應(yīng)，提高車輛舒適度

18、提供參考。 此次分析用質(zhì)量塊模擬設(shè)備重量加載在車體上，并采用了拉格朗日算法。計算分兩種工況，即空車自由模態(tài)和整備狀態(tài)自由模態(tài)。表2是車體空車自由模態(tài)和整備狀態(tài)自由模態(tài)的前6階計算結(jié)果。</p><p>　　通常，轉(zhuǎn)向架的振動頻率為4-6 HZ。而車體整備狀態(tài)下一階垂向彎曲頻率為9.82 HZ，為轉(zhuǎn)向架振動頻率的1.6倍以上，不會與轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生激振，符合設(shè)計要求。圖14和圖15是車體整備狀態(tài)自由模態(tài)的前兩階振型。&l

19、t;/p><p><b>　　5．結(jié)束語</b></p><p>　　通過對車體結(jié)構(gòu)進行有限元分析，其結(jié)果表明車體的結(jié)構(gòu)強度和剛度均滿足EN12663-2000標準要求。其流線形的司機室骨架結(jié)構(gòu)和輕量化設(shè)計為B型地鐵鼓形車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p>&