某地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜強(qiáng)度計(jì)算與試驗(yàn)

1、    某地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜強(qiáng)度計(jì)算與試驗(yàn)    王新磊摘要：通過有限元仿真方法，在車體滿足整機(jī)功能要求和使用要求前提下盡可能進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)誤差原因，指導(dǎo)類似車輛車體的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：車體;剛度;強(qiáng)度;有限元隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程，地鐵以其運(yùn)量大、速度快、安全、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)、節(jié)能等特點(diǎn)得到了快速發(fā)展1。本文涉及一種地鐵線路養(yǎng)護(hù)施工工程車輛車體，其作為承載傳力部件，受各種機(jī)構(gòu)、定距及軸重的限制和制約，局部幾何形狀比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)借助有限元分析2，按照整機(jī)的基本布局進(jìn)行車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并委托具有資質(zhì)的第三方測(cè)

2、試公司，對(duì)車體按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)3-5進(jìn)行了試驗(yàn)，通過對(duì)有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出一套適用本種類型車體的計(jì)算方法。1 車體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)榈罔F車輛軸重的限制，既為了減重，又為了車體的強(qiáng)度和剛度能滿足相關(guān)要求3-5，車體設(shè)計(jì)成上部車廂和下部底架焊接一體承載的整體承載式結(jié)構(gòu)。車廂主要由不同厚度的矩形管或方管和u型折彎件構(gòu)成框架，并采用2.5mm厚的鈑金斷續(xù)焊接，因組裝和部件功能需求到處開孔，底架主要由左右焊接h型鋼和前后部組成框架結(jié)構(gòu)，枕梁為箱型梁，為安裝各個(gè)部件在底架內(nèi)分布若干橫梁和縱梁，為安裝工作裝置底架中部有一定的上拱，車體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。車體長度為18200mm，寬度2460m

3、m，定距12200mm，重量約11.3t，底架材料為q420d，車廂鈑金材料為spcc，其余為q355b，板厚均不大于16mm，材料參數(shù)如表1所示。2車體結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化2.1車體有限元模型利用hypermesh仿真軟件6建立有限元模型，兼顧計(jì)算量和計(jì)算精度，單元選用4節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元shell181，針對(duì)不同的矩形管、板等設(shè)置不同的截面參數(shù)，在建模過程中忽略一些小孔、圓弧等細(xì)節(jié)，并對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，整個(gè)車體共582746個(gè)節(jié)點(diǎn)，597068個(gè)單元。2.2 計(jì)算工況及加載根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定3-5，車體最主要的測(cè)試試驗(yàn)為垂向剛度試驗(yàn)和過軌工況下的縱向拉伸、壓縮試驗(yàn)。因此本次計(jì)算針對(duì)以下幾

4、種工況進(jìn)行計(jì)算，具體如表2所示。其中，車體的垂向剛度要滿足標(biāo)準(zhǔn)3中的公式：式中： 為中梁或側(cè)墻中央撓度; 為車輛定距。某地鐵車輛車體心盤定距為12200mm，因此其垂向最大變形不能大于13.6mm。計(jì)算得到的當(dāng)量應(yīng)力 不應(yīng)超過材料的許用應(yīng)力，當(dāng)量應(yīng)力公式如下：式中： 是當(dāng)量應(yīng)力，mpa; （ =1，2，3）表示主應(yīng)力，mpa。車體上部各個(gè)設(shè)備質(zhì)量用mass質(zhì)量單元來模擬。垂向靜載荷為車體的整備質(zhì)量，即車體的自重與車體上所有設(shè)備重量之和。拉伸合成載荷包括縱向拉伸載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、側(cè)向力載荷、垂向靜載荷和動(dòng)載荷，壓縮合成載荷類似。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求3-5，縱向拉伸載荷為980kn，縱向壓縮載荷為1180k

5、n，扭轉(zhuǎn)載荷為40kn·m，側(cè)向力載荷取垂向靜載荷的10%，垂向動(dòng)載荷等于垂向靜載荷與垂向動(dòng)載荷系數(shù)的乘積，垂向動(dòng)載荷系數(shù)的計(jì)算公式為式中： 是垂向動(dòng)載荷系數(shù); 為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，取59mm; 是車輛的運(yùn)行速度，取100km/h; 為系數(shù)，取值為0.05; 為系數(shù)，取值為1.65; 為系數(shù)，簧上部分取值為1.50; 為系數(shù)，簧上部分取值為0.427?？梢杂?jì)算出垂向動(dòng)載荷系數(shù)為0.202。3車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)车罔F車輛車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)委托具有資質(zhì)的第三方檢測(cè)公司在廠內(nèi)完成，根據(jù)車體的實(shí)際工況與受力情況分別進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)3。車體的部分應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布置如圖2所示。在測(cè)試點(diǎn)處貼單向應(yīng)變

6、片。車體的垂向靜載荷用25kg/袋的砂袋和不同重量的配重塊代替，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。4試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析4.1 垂向剛度表3列出了有限元計(jì)算和試驗(yàn)得到的垂向靜載荷下最大撓度值。表3和圖4中負(fù)值代表變形是垂直向下的，從表3和圖4可以看出，垂向靜載時(shí)車體的仿真計(jì)算和試驗(yàn)最大撓度值都低于13.6mm，車體的剛度是符合標(biāo)準(zhǔn)3要求的。計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的誤差很小，吻合度較好，存在差異的主要原因是因?yàn)檐圀w鈑金件和框架是斷續(xù)焊接的，有限元模型和車體的實(shí)際情況存在差異造成的。4.2 強(qiáng)度情況試驗(yàn)測(cè)試時(shí)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)是單向應(yīng)變片布置，所以計(jì)算應(yīng)力也取相同位置和應(yīng)變片布置方向相同的應(yīng)力，所以下表4和表5中，正值

7、代表拉伸應(yīng)力，負(fù)值代表壓縮應(yīng)力。拉伸工況下車體應(yīng)力大點(diǎn)的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和對(duì)應(yīng)的有限元計(jì)算結(jié)果如表4所示，測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)圖見圖2。由表4可得，在拉伸工況下，車體最大試驗(yàn)應(yīng)力為-198.8mpa，應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)果表明，在拉伸組合工況下車體強(qiáng)度是符合設(shè)計(jì)要求的。通過測(cè)試應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在中間截面應(yīng)力值吻合較好，前后部和側(cè)墻應(yīng)力相對(duì)差一點(diǎn)，這里一是因?yàn)楸旧斫Ｉ虾蛯?shí)際存在一定差異，二是因?yàn)榻M合工況是多個(gè)工況的疊加，累積下來導(dǎo)致誤差偏大。下圖5給出了車體在拉伸工況下的當(dāng)量應(yīng)力分布圖，從圖上可以看出車體的應(yīng)力主要分布，其結(jié)果和測(cè)試結(jié)果也能對(duì)應(yīng)上。表5給出了壓縮工況下部分測(cè)試點(diǎn)有限元計(jì)算結(jié)

8、果和試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力值。從表5中可見，壓縮工況下最大試驗(yàn)應(yīng)力為232.8mpa，應(yīng)力值都在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。通過測(cè)試應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力對(duì)比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力值吻合較好，計(jì)算偏差不大。下圖6給出了車體在壓縮工況下的當(dāng)量應(yīng)力分布圖，從圖上可以看出車體的應(yīng)力主要分布，其結(jié)果和測(cè)試結(jié)果也能對(duì)應(yīng)上。5結(jié)論（1）車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明某地鐵車輛車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度和剛度能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）通過試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有限元模型和計(jì)算方法基本合理，可以指導(dǎo)車體設(shè)計(jì)，特別是地鐵車輛等對(duì)軸重限制比較嚴(yán)格的車輛上，通過有限元仿真計(jì)算可以起到很好的減重作用。（3）優(yōu)化有限元模型和計(jì)算方法，使試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果吻合的更好。參考文獻(xiàn)：1 張振淼.城市軌道交通車輛m.北京：中國鐵道出版社，2012.2 孫海霞，戴金濤，姜偉等.有限元法在機(jī)械工程中的應(yīng)用與發(fā)展j.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（3）：84.3 tb/t1335-1996.鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及鑒定規(guī)范s.4 gb/t25337