磁懸浮列車車體靜強(qiáng)度分析與優(yōu)化方案

1、磁懸浮列車車體靜強(qiáng)度分析與 優(yōu)化方案磁懸浮列車國產(chǎn)化車體靜強(qiáng)度分析與優(yōu)化方案 趙雙敬劉東軍（唐山軌道客車有限責(zé)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(jié)構(gòu)在不同工況下進(jìn)行了靜強(qiáng)度 計(jì)算分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出切實(shí)可行的優(yōu)化方案，并對 以后磁懸浮列車國產(chǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。關(guān)鍵字：磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)有限元分析靜強(qiáng)度一概況德國從20世紀(jì)70年代早期就開始開發(fā)磁懸浮技術(shù)，經(jīng)過30年的持續(xù)努力，現(xiàn)在, 德國的磁懸浮技術(shù)已可用于商業(yè)運(yùn)營。之后美國，日本，韓國相繼研制成功，并投入 運(yùn)營，我國從2002年引進(jìn)德國技術(shù)，并在上海磁懸浮示范線成功運(yùn)

2、營，之后就開始磁 懸浮技術(shù)的研制，并逐步實(shí)現(xiàn)磁懸浮技術(shù)的國產(chǎn)化，磁懸浮列車車體是磁懸浮列車技 術(shù)中的核心技術(shù)之一，我公司一直致力于磁懸浮列車技術(shù)的開發(fā)、研制、國產(chǎn)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(jìn)行研制生產(chǎn)，其中本文對列 車車體結(jié)構(gòu)在不同工況下的情況進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，并在此基礎(chǔ)上提出結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方 案，促進(jìn)了磁懸浮列車的國產(chǎn)化進(jìn)度。二磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)簡介最新研制的磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)主要包括底架、側(cè)墻、平頂、圓頂和端墻，設(shè)計(jì) 重量為3.lt,每米承載量為200 kg。車體結(jié)構(gòu)三維模型如圖1錯(cuò)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(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析計(jì)算載荷和強(qiáng)度評

3、估方法按照EN126632000鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求， 有限元建模及結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分別采用Hypennesh及ANSYS軟件完成。本次計(jì)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(jì)算沒有蜂窩結(jié)構(gòu)。車體所用材料及其參數(shù)見表lo表1車體各主要部件材質(zhì)、板厚及其力學(xué)性能參數(shù)材料狀態(tài)厚度強(qiáng)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(shí)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(jù)計(jì)算任務(wù)書要求，本報(bào)告主要計(jì)算分析了 10種工況，具體計(jì)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(yùn)營轉(zhuǎn)載荷工況；工況四，外臺車位頂車位提升整個(gè)車體，整備狀態(tài)；工況五，內(nèi)臺車位頂車位提升整個(gè)車

5、體，整備狀態(tài)；工況六，車鉤高度400kN壓縮載荷+正常運(yùn)營載荷工況；工況七，車鉤高度320kN拉伸載荷+正常運(yùn)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(gè)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(gè)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(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明，在工況1、 2、3、6、7下，車體的最大應(yīng)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(yīng)力，其最大應(yīng)力位置及應(yīng)力值如表3所示：表3原

6、結(jié)構(gòu)模型原結(jié)構(gòu)車體在各種工況下的最大應(yīng)力位置及應(yīng)力值工況應(yīng)力位置最大應(yīng)力值工況應(yīng)力位置最大應(yīng)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(yīng)力最大 值為179Mpa,在工況3下，門角局部應(yīng)力最大值為232.4MPa,大于焊縫材料的許用 應(yīng)力115Mpa,不滿足設(shè)計(jì)要求。四車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化方案針對局部應(yīng)力過大情況，在中間地板型材處增加補(bǔ)強(qiáng)筋,在型材內(nèi)部也做了補(bǔ)強(qiáng),補(bǔ)強(qiáng)方案如圖2所示（第一補(bǔ)強(qiáng)方案）:補(bǔ)強(qiáng)筋圖2增加補(bǔ)強(qiáng)筋板后的

7、模型（第一補(bǔ)強(qiáng)方案）對第一次改進(jìn)的模型即增加補(bǔ)強(qiáng)筋后的模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，局部應(yīng)力 仍超出了材料的許用應(yīng)力，超出許用應(yīng)力的工況及應(yīng)力最大位置如表4所示：表4第一次更改后的模型增加補(bǔ)強(qiáng)筋后的最大應(yīng)力位置及最大應(yīng)力值工況最大值位置最大應(yīng)力值工況最大值位置最大應(yīng)力值1it，h：5 /.一tn二宅/二勿 ,一 .一*、一 .二窕二當(dāng)¥【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(jìn)的模型再次進(jìn)行

8、計(jì)算，由表4結(jié)果顯示地板連接處應(yīng)力值在120MPa 左右，比焊縫的許用應(yīng)力值稍微偏高，再次對模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)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(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，具體補(bǔ)強(qiáng)方案如圖3和圖4所示。圖3增加連接梁圖4上門角補(bǔ)強(qiáng)對第二次改進(jìn)的模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示c型槽與連接梁立板連接焊縫處最大應(yīng) 力為118Mpa,上門角處最大應(yīng)力值為125Mpa,下門角處最大應(yīng)力為117Mpa,略大 于焊縫的許用應(yīng)力H5MPao因此對模型進(jìn)行了第三次改進(jìn)。將連接梁立板的厚度加厚 為lOinin,上門角補(bǔ)強(qiáng)板增大為80mm,厚度降低為6

9、mm。下門角內(nèi)側(cè)增加60mm的 補(bǔ)強(qiáng)板。修改后的模型如下圖所示：圖5下門角內(nèi)側(cè)補(bǔ)強(qiáng)上門角補(bǔ)強(qiáng)對第三次改進(jìn)的模型進(jìn)行計(jì)算，改進(jìn)后的模型最大應(yīng)力位置及最大值如表5所示:表5第三次改進(jìn)后的模型第三次改進(jìn)后的模型最大應(yīng)力位置及最大應(yīng)力值工況應(yīng)力位置最大應(yīng)力值工況應(yīng)力位置最大應(yīng)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(diǎn)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(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)過第三次優(yōu)化后的車體模型最大應(yīng)力值為U4.3MPa,小于車體 焊縫許用應(yīng)力值115MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。五結(jié)論1,原結(jié)構(gòu)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(yīng)力最大值 為179Mpa,在工況3下，門角局部應(yīng)力最大值為232.4MPa,大于焊縫材料的許用應(yīng) 力115Mpa,不滿足設(shè)計(jì)要求。2,第一次改進(jìn)的模型在顯示地板連接處應(yīng)力值最大為123.8 MPa左右，比焊縫的 許用應(yīng)力值稍微偏高，需要進(jìn)一步改進(jìn)。3,第二次改進(jìn)的模型在C型槽與連接梁立板連接焊縫處最大應(yīng)力為118Mpa

12、,上 門角處最大應(yīng)力值為125Mpa,下門角處最大應(yīng)力為117Mpa,略大于焊縫的許用應(yīng)力 115MPao因此對模型進(jìn)行了第三次改進(jìn)。4,經(jīng)過第三次優(yōu)化后的車體模型在10種工況下的最大應(yīng)力值為U4.3MPa,小于 車體焊縫許用應(yīng)力值115MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)：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(shí)用教程M.北京:清華大學(xué)出版社,2005.3,黃明星，葉云岳,方攸同，等.磁懸浮試驗(yàn)線運(yùn)行車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析J.浙江大學(xué)學(xué) 報(bào)(工學(xué)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其分析J.中國科技論文在 線:2010(10)：8038065,常樹民，馬紀(jì)軍.鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思J.鐵道車輛：2004,42(9):913.6,海邦君.鋁合金車體設(shè)計(jì)研究J.鐵道車輛: