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工程管理与技术现代商贸工业２０１８年第１８期１８８㊀㊀作者简介:聂双双(１９８３－),女,工程师,主要从事车辆工程车体结构设计研究.铝合金地铁车体静强度和模态分析聂双双㊀张寅河(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛２６６１１１)摘㊀要:以某城轨铝合金地铁为研究对象,根据铝合金地铁车体结构特点,简化该车体几何模型,建立相应的有限元模型.基于车体静强度计算标准,确定９种车体结构静强度的计算工况,在这些计算工况作用下,计算车体结构的静强度.计算在最大垂直载荷作用下车体结构刚度,以及车体结构模态与整备状态下车体结构模态.计算结果表明该铝合金地铁车体结构的刚度㊁静强度和模态均满足车体结构设计要求.关键词:铝合金车体;有限元;静强度;模态中图分类号:T B ㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀d o i :１０．１９３１１/j．c n k i ．１６７２Ｇ３１９８．２０１８．１８．０８４０㊀引言随着城市的快速发展,地铁作为各大城市的重要交通工具之一,研发水平在不断地提高,在车体新材料和新工艺方面的研究也越来越多.铝合金材料以密度小㊁密封性好和易于挤压成型等优点,越来越广泛地应用于铝合金地铁车体.为确保车辆在工作状态下安全可靠,车体结构必须要有足够的刚度和强度,满足相关的技术标准.目前车体结构的强度计算分析主要采用有限元法,为其结构改进和优化提供依据.１㊀车体结构与有限元模型本文以某城轨铝合金地铁中间车为研究对象,车体采用全长的大型中空铝合金挤压型材组焊成筒型整体承载结构,主体结构由底架㊁车顶㊁侧墙和端墙焊接而成.底架采用无中梁结构,主要有牵引梁㊁枕梁㊁边梁㊁横梁和地板组成.车顶由５块３种挤压模块用纵向焊缝拼焊㊁空调安装平台和受电弓安装平台等组成.侧墙由４种挤压模块用纵向焊缝拼焊和门立柱等组成.端墙由端角柱㊁门口立柱㊁墙板㊁侧顶弯梁和横梁拼焊而成.该铝合金地铁车体的长度㊁高度和最大宽度分别为２２８８０m m ㊁２７２５m m 和３０００m m .在分析了铝合金车体的结构特点和材料的力学性能的基础上,采用H Y P E RWO R K S 有限元软件进行计算.采用S H E L L 单元离散车体结构,车体模型包括１９６万个单元和１７６万个节点.２㊀计算工况和评定标准依据«B SE N １２６６３:２０１０铁道应用－轨道车身的结构要求»,确定车体静强度计算工况.此次分析主要包括９个计算工况:(１)计算工况１:空载工况;(２)计算工况２:最大运转载荷工况;(３)计算工况３:空载压缩工况;(４)计算工况４:空载拉伸工况;(５)计算工况５:超员压缩工况;(６)计算工况６:超员拉伸工况;(７)计算工况７:两端抬车工况;(８)计算工况８:一端抬车工况;(９)计算工况９:三点支撑工况.同时计算车体结构模态和整备状态下车体结构模态.３㊀计算结果３．１㊀刚度计算结果在计算工况２作用下,车体底架边梁中央断面处垂直挠度为１２ ２m m .根据G B /T７９２８－２００３«地铁车辆通用技术条件»规定,在最大垂直载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支承点之间距离的１ɢ(１５ ７m m ),即车体的挠跨比ɤ１ɢ.经计算可知,车体的挠跨比为０ ７８ɢ,该车体的刚度满足标准要求.３．２㊀静强度计算结果计算工况１和２主要校核在垂向载荷作用下车体结构的静强度情况,车体结构的v o n M i s e s 应力分布情况非常相似.由于计算工况２的垂向载荷比计算工况１的垂向载荷大,所以车体各个部位的v o n M i s e s 应力值也较大.在计算工况２作用下,侧墙中枕内第一个门发生较大菱形变形,所以最大v o n M i s e s 应力发生在侧墙中枕内第一个门的门上角,如图１所示.侧墙门上角的v o n M i s e s 应力值为９５．８M P a ,该值小于门上角材料的屈服强度１１５M P a.图１㊀侧墙上门角区域v o n M i s e s 应力云图计算工况３－６主要校核在垂向和纵向载荷共同作用下车体结构的静强度情况.在计算工况３作用下,车体底架的最大v o n M i s e s 应力发生在车钩安装座补板,焊缝发生在边梁缓冲梁连接处,如图２所示.这是因为施加载荷通过补板将力传递到牵引梁,边梁缓冲梁断面不同,连接处结构突变.车钩安装座补板的v o n M i s e s 应力值为３０５．３M P a,小于补板材料的屈服强度３３５M P a ;边梁缓冲梁连接焊缝的v o n M i s e s 应力值现代商贸工业２０１８年第１８期１８９㊀为１０６．２M P a ,小于焊缝材料的屈服强度１１５M P a .在计算工况４－６作用下,车体底架的最大v o n M i s e s 应力同样发生在车钩安装座补板,焊缝的最大v o n M i s e s 应力同样发生在边梁缓冲梁连接处.计算工况４的v o n ＧM i s e s 应力值分别为２４４．９M P a ㊁８１．９M P a,如图３所示.计算工况５的v o n M i s e s 应力值分别３０４．８M P a㊁１０８．１M P a ,如图４所示.计算工况６的v o n M i s e s 应力值分别为２４５．４M P a ㊁８０．１M P a ,如图５所示.以上应力值均小于材料的屈服强度３３５M P a ㊁１１５M P a .图２㊀计算工况３底架局部结构v o n M i s e s应力云图图３㊀计算工况４底架局部结构v o n M i s e s应力云图图４㊀计算工况５底架局部结构v o n M i s e s应力云图图５㊀计算工况６底架局部结构v o n M i s e s 应力云图计算工况７－９需要抬起车体结构,在车体处于抬起状态时,车体重量主要由抬车垫板承担,尤其是两端抬车工况和三点支撑工况.因而车体底架的最大v o n ＧM i s e s 应力发生在抬车区域.如图６－８所示,枕梁边梁焊缝处的最大v o n M i s e s 应力值为８２．０M P a ,小于焊缝材料的屈服强度１１５M P a.图６㊀计算工况７底架局部结构v o n M i s e s应力云图图７㊀计算工况８底架局部结构v o n M i s e s应力云图图８㊀计算工况９底架局部结构v o n M i s e s 应力云图３．３㊀模态计算结果模态分析中没有考虑车体结构的位移约束,表１列出了车体结构的主要固有频率.从表１可以看出整备状态下车体结构的整车一阶弯曲固有频率大于１０H z,符合设计规范要求.表１㊀车体结构模态计算结果振型车体结构固有频率整备状态下车体固有频率整车一阶菱形１３．８H z ８．４H z整车一阶垂弯１６．８H z １０．２H z 整车一阶扭转１９．２H z １１．６H z 整车一阶横弯２６．９H z１６．３H z ４㊀结束语基于H Y P E RWO R K S 有限元分析方法,以铝合金地铁车体为研究对象,建立有限元模型,计算在各种工况作用下车体的刚度㊁静强度和模态,得出该铝合金地铁车体结构的刚度㊁静强度和模态均满足相关要求,为以后的车体有限元分析和设计提供参考.参考文献[１]G B /T７９２８－２００３㊀地铁车辆通用技术条件[S ]．２００３．[２]B S E N １２６６３:２０１０铁路应用－铁路车辆车体结构要求[S ]．２０１０．[３]雷成,肖守讷．地铁铝合金车体的结构设计和强度分析[J ]．机车电传动,２００６,(０１):５５Ｇ５６．[４]周建乐,王军．地铁车辆铝合金车体的设计[J ]．城市轨道交通研究,２０００,(２):５３Ｇ５６．。
铝合金地铁车体静强度和模态分析随着我国城市化进程脚步的不断加快，国内的地铁也随之成为各大城市的重要交通工具之一，研发水平在不断地提高，在车体新材料和新工艺方面的研究也越来越多。
铝合金材料以密度小、密封性好和易于挤压成型等优点，越来越广泛地应用于铝合金地铁车体。
为确保车辆在工作状态下安全可靠，车体结构必须要有足够的刚度和强度，满足相关的技术标准。
目前车体结构的强度计算分析主要采用有限元法，为其结构改进和优化提供依据。
标签：铝合金；地铁车体；静强度；模态随着大型铝合金中空挤压型材的开发及焊接技术的不断改进，组装和焊接件的数量逐渐减少，再加上铝合金车体具有减重效果好、耐腐蚀性强、运行平稳性好等优点，使其成为客车车体制造的首选型材。
车体是地铁的主要承载部件之一，为保证它在运行中的安全性和可靠性，要求铝合金车体结构具有足够的强度和刚度，并满足相关技术标准的要求。
下面以有限元法为基础，利用有限元分析软件ANSYS建立某地铁铝合金车体结构的有限元模型，并依据相关标准的规定对车体强度进行了多工况的计算分析，得到车体结构在各个工况下的应力水平、应力分布、刚度、自振频率及振型。
由于中国地铁建设尚处于初级阶段，尽管有不少关于轮轨关系的定性描述，但对地铁振动荷载定量分析的研究还较少，目前还没有制定地铁强度标准和载荷工况标准，此次计算分析主要参照国外地铁车辆技术标准和铁路运输行业标准《内燃、电力机车车体静强度试验方法》（TB/T2541-1995）、国标《内燃机车通用技术条件》（GB3314）等规范和标准，确定车体的计算载荷、计算工况以及车体静强度、刚度、模态频率等计算结果要求。
1车体结构的有限元模型1.1有限元模型坐标定义由于B型车的拖车模型是纵向对称的，对于对称荷载只将结构的一半模型化（B侧），在本文中所有涉及坐标系的方向，均以下面的定义为准：车的结构以yoz平面为对称面；原点o在驾驶室地板前端中央；x向为从结构对称面指向车体侧墙；y向为从地板指向车顶；z向为从驾驶室指向车尾。
