磁懸浮列車車體靜強度分析與優(yōu)化方案

1、磁懸浮列車車體靜強度分析與 優(yōu)化方案磁懸浮列車國產化車體靜強度分析與優(yōu)化方案 趙雙敬劉東軍（唐山軌道客車有限責任公司河北 唐山063035）摘要：本文對本公司最近研制的磁懸浮列車車體結構在不同工況下進行了靜強度 計算分析，并根據計算結果對車體結構進行了優(yōu)化，提出切實可行的優(yōu)化方案，并對 以后磁懸浮列車國產化結構設計提供了一個新的思路。關鍵字：磁懸浮列車車體結構有限元分析靜強度一概況德國從20世紀70年代早期就開始開發(fā)磁懸浮技術，經過30年的持續(xù)努力，現在, 德國的磁懸浮技術已可用于商業(yè)運營。之后美國，日本，韓國相繼研制成功，并投入 運營，我國從2002年引進德國技術，并在上海磁懸浮示范線成功運

2、營，之后就開始磁 懸浮技術的研制，并逐步實現磁懸浮技術的國產化，磁懸浮列車車體是磁懸浮列車技 術中的核心技術之一，我公司一直致力于磁懸浮列車技術的開發(fā)、研制、國產化研究。目前，我公司針對上海示范線磁懸浮列車最新形式進行研制生產，其中本文對列 車車體結構在不同工況下的情況進行了靜強度分析，并在此基礎上提出結構的優(yōu)化方 案，促進了磁懸浮列車的國產化進度。二磁懸浮列車車體結構簡介最新研制的磁懸浮列車車體結構主要包括底架、側墻、平頂、圓頂和端墻，設計 重量為3.lt,每米承載量為200 kg。車體結構三維模型如圖1錯誤!未找到引用源。所示：圖1磁懸浮列車車體三維模型三車體結構靜強度分析計算載荷和強度評

3、估方法按照EN126632000鐵道應用-軌道車身的結構要求， 有限元建模及結構應力計算分別采用Hypennesh及ANSYS軟件完成。本次計算的磁懸浮車體所有的型材全部采用EN AW_6005AT6材料，所有板材采 用 EN AW-5083- H111 材料，車鉤座為 EN AW-6005A-T6 材料，滑臺為 EN AW-5083- H111材料，本次計算沒有蜂窩結構。車體所用材料及其參數見表lo表1車體各主要部件材質、板厚及其力學性能參數材料狀態(tài)厚度強度極限彈性極限非焊縫區(qū)焊縫區(qū)非焊縫區(qū)焊縫區(qū)ENAW-6005AT6實心擠壓型材t5nnn2701652251155innxtl0inin2

4、6016521511510inm<t25inm250165200115T6空心擠壓型材t5nnn2551652151155innxt<15inin250165200115ENAW-5083Hill0.2nnn<t50nim275275125125H32102inn】<t“01】i】n305275215125根據計算任務書要求，本報告主要計算分析了 10種工況，具體計算工況如下所示:工況一，車鉤高度400kN壓縮載荷工況；工況二，車鉤高度320kN拉伸載荷工況；工況三，車體的最大運營轉載荷工況；工況四，外臺車位頂車位提升整個車體，整備狀態(tài)；工況五，內臺車位頂車位提升整個車

5、體，整備狀態(tài)；工況六，車鉤高度400kN壓縮載荷+正常運營載荷工況；工況七，車鉤高度320kN拉伸載荷+正常運營載荷工況；工況八，車頂中央200 cm 2的面積上承受1000N的垂直載荷工況；工況九，車頂中央縱向間距500mm兩個400cm2的面積上分別承受1000N垂直載 荷的工況；工況十，車頂中央橫向間距500mm兩個400cm2的面積上分別承受1000N垂直載 荷的工況；使用大型有限元分析軟件ANSYS對模型進行計算分析，計算結果表明，在工況1、 2、3、6、7下，車體的最大應力都發(fā)生在車體底架與地板連接處，門角處，其值超出 了車體焊縫的許用應力，其最大應力位置及應力值如表3所示：表3原

6、結構模型原結構車體在各種工況下的最大應力位置及應力值工況應力位置最大應力值工況應力位置最大應力值19色匕二:：二才 xw/ t trr，J-J 二、T.V-j.179MPa6賣1卜<>7?KM 7二;SV"178 MPa由表3可知在工況下1、工況2、工況6、工況7下車體底架與底板局部應力最大 值為179Mpa,在工況3下，門角局部應力最大值為232.4MPa,大于焊縫材料的許用 應力115Mpa,不滿足設計要求。四車體結構強度分析與優(yōu)化方案針對局部應力過大情況，在中間地板型材處增加補強筋,在型材內部也做了補強,補強方案如圖2所示（第一補強方案）:補強筋圖2增加補強筋板后的

7、模型（第一補強方案）對第一次改進的模型即增加補強筋后的模型進行計算，計算結果表明，局部應力 仍超出了材料的許用應力，超出許用應力的工況及應力最大位置如表4所示：表4第一次更改后的模型增加補強筋后的最大應力位置及最大應力值工況最大值位置最大應力值工況最大值位置最大應力值1it，h：5 /.一tn二宅/二勿 ,一 .一*、一 .二窕二當¥【121.8MPa6 ifEw ,M9 4" j<CUgi-»t<4 d*eet "r. .、一- . -彳:， FilWlWLA. 4 NC、/.、 . S' 一lUJIMTs對第一次改進的模型再次進行

8、計算，由表4結果顯示地板連接處應力值在120MPa 左右，比焊縫的許用應力值稍微偏高，再次對模型進行了改進，改進方案為：將類似 中梁的地板型材和滑臺連接；將圖中紫色的過渡連接梁的壁厚改為2.5mm；在端部下 蓋板上增開工藝孔；將門角進行了補強，具體補強方案如圖3和圖4所示。圖3增加連接梁圖4上門角補強對第二次改進的模型進行計算，結果顯示c型槽與連接梁立板連接焊縫處最大應 力為118Mpa,上門角處最大應力值為125Mpa,下門角處最大應力為117Mpa,略大 于焊縫的許用應力H5MPao因此對模型進行了第三次改進。將連接梁立板的厚度加厚 為lOinin,上門角補強板增大為80mm,厚度降低為6

9、mm。下門角內側增加60mm的 補強板。修改后的模型如下圖所示：圖5下門角內側補強上門角補強對第三次改進的模型進行計算，改進后的模型最大應力位置及最大值如表5所示:表5第三次改進后的模型第三次改進后的模型最大應力位置及最大應力值工況應力位置最大應力值工況應力位置最大應力值1,一f 77 , . y言'r _m.$,.!t>I LaI 一 4 ，Ml1ri MB 6一*4FT «>p-品量一1. 匚 M一:' T,，r q1 112MPa6j味112.4MPa11/; 一 I； _J，!Kfl!t=T-*-: 一;21189.6MPa7114.3MPa1ei

10、二一一9.4J.4M -KSUSI,c,” 點一與,孑，Wf- W.4J，, 一 -，i.Sf. i3 iX-4L«B-卜1a>一J 、不e4 ,32i - g WfW9，2.)nM95.25MPa8a -fpit.-X：|=I，三馬B* :wI <WT41- (wQp A, *M«145.8MPa4療 V，/-'r* - f1 1, <m« UMBMC.na一。j -109.6 MPa9癡9*15-j：一“c-f 1R"-卜G< 卜* L*I < _，r* * ./ +=.rw> tv*X*3f M:匕 *W

11、 d 3 1 q-*> “e40.2 MPa89.2 MPa 1016.2 MPa計算結果表明，經過第三次優(yōu)化后的車體模型最大應力值為U4.3MPa,小于車體 焊縫許用應力值115MPa,滿足設計要求。五結論1,原結構在工況下1、工況2、工況6、工況7下車體底架與底板局部應力最大值 為179Mpa,在工況3下，門角局部應力最大值為232.4MPa,大于焊縫材料的許用應 力115Mpa,不滿足設計要求。2,第一次改進的模型在顯示地板連接處應力值最大為123.8 MPa左右，比焊縫的 許用應力值稍微偏高，需要進一步改進。3,第二次改進的模型在C型槽與連接梁立板連接焊縫處最大應力為118Mpa

12、,上 門角處最大應力值為125Mpa,下門角處最大應力為117Mpa,略大于焊縫的許用應力 115MPao因此對模型進行了第三次改進。4,經過第三次優(yōu)化后的車體模型在10種工況下的最大應力值為U4.3MPa,小于 車體焊縫許用應力值115MPa,滿足設計要求。參考文獻：1,維龍,高建平，曹霞，等.磁懸浮列車鋁合金車體制造及焊接工藝研究J.城市車 #j,2001(5):40-42.2,黎明.ANSYS有限元分析實用教程M.北京:清華大學出版社,2005.3,黃明星，葉云岳,方攸同，等.磁懸浮試驗線運行車輛的結構設計與分析J.浙江大學學 報(工學版)：2008(5)：805 8094,肖守訥，沈安林,陽光武，等.中低速磁懸浮車體的結構特點及其分析J.中國科技論文在 線:2010(10)：8038065,常樹民，馬紀軍.鋁合金車體結構設計構思J.鐵道車輛：2004,42(9):913.6,海邦君.鋁合金車體設計研究J.鐵道車輛: