基于ANSYS的A型地鐵車體強(qiáng)度分析研究

1、 基于ANSYS的A型地鐵車體強(qiáng)度分析研究 吳迪+王志俊+曲凌云+張福李+杜建強(qiáng)摘 要：本文介紹了薄壁鼓形整體承載式鋁合金A型地鐵車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并以A型地鐵車體結(jié)構(gòu)為研究對象，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了力學(xué)承載特性分析，得到了車體結(jié)構(gòu)在給定工況下所產(chǎn)生的應(yīng)力。結(jié)果表明該鋁合金A型地鐵車體的強(qiáng)度符合地鐵車輛安全性、可靠性的要求。同時(shí)為同類型車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供了參考依據(jù)。Key：A型地鐵；車體結(jié)構(gòu)；ANSYS；強(qiáng)度：U270.387 ：A ：1671-2064（2017）10-0061-031 引言隨著城市化進(jìn)程的加快城市人口密度迅速增長，城市出行交通壓力巨大。因此，舒適、環(huán)保、便捷的

2、城市軌道交通成為各大中型城市公共交通體系的重要組成部分。鋁合金A型地鐵列車具有車體強(qiáng)度高、載客空間大、舒適性好以及安全可靠性高的特點(diǎn)，在城市軌道交通建設(shè)中所占比例大幅提升。2 鋁合金A型地鐵車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鋁合金A型地鐵車體采用鼓形整體承載式結(jié)構(gòu)，由大型中空的薄壁鋁合金型材組焊而成，主要分為底架、側(cè)墻、車頂、端墻和司機(jī)室五大模塊，如圖1所示。底架模塊由地板、邊梁、端梁和牽枕緩等零部件組成，為車體絕大部分電氣設(shè)備提供安裝接口。側(cè)墻模塊由一位側(cè)墻和二位側(cè)墻兩部分組成，對稱分布在車體兩側(cè)。車頂模塊采用高低頂結(jié)構(gòu)，由平頂、圓頂和車頂邊梁等零部件組成，平頂結(jié)構(gòu)可為空調(diào)系統(tǒng)提供安裝接口。端墻由端墻板、門立柱和

3、梁等零部件組成，可為貫通道提供安裝接口。司機(jī)室由玻璃鋼外罩和司機(jī)室骨架等零部件組成，采用流線型設(shè)計(jì)，安裝在頭車前端，其端部設(shè)有碰撞吸能區(qū)，在列車發(fā)生碰撞時(shí)此區(qū)域變形，吸收撞擊產(chǎn)生的能量保證乘客的生命安全。鋁合金A型地鐵車體采用輕量化設(shè)計(jì)，有效減輕車體重量的同時(shí)具有很好的隔音隔熱性能，并且能夠承受不同工況下產(chǎn)生的橫向、縱向及垂向載荷。3 鋁合金A型地鐵車體有限元模型鋁合金A型地鐵車體結(jié)構(gòu)主要采用4節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元模擬主體結(jié)構(gòu)，用質(zhì)量單元模擬附加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以及分布位置，并通過RIGID單元或RBE3單元及其相鄰的有限元結(jié)構(gòu)連接，在下門角補(bǔ)強(qiáng)部位等結(jié)構(gòu)采用六面體實(shí)體單元模型1。殼單元的尺寸（長度）在

4、大多數(shù)的結(jié)構(gòu)部件中的典型長度約為15-20mm，在細(xì)化區(qū)域則小一些，長度約為4-6mm。本車體有限元模型單元總數(shù)為3843409，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3260943。車體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖2所示。4 車體計(jì)算載荷工況依據(jù)EN12663：2010標(biāo)準(zhǔn)2和IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)3，計(jì)算了18種載荷工況作用下車體的靜強(qiáng)度、剛度以及3種載荷工況作用下車體的疲勞強(qiáng)度，現(xiàn)針對車體靜強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，載荷工況如表1所示。5 車體靜強(qiáng)度結(jié)果分析各載荷工況計(jì)算結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2的結(jié)果可以得出：所有計(jì)算工況作用下，車體的最大Von.Mises應(yīng)力均小于車體部件所用材料的許用應(yīng)力，符合EN12663：2010鐵路應(yīng)用

5、-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求標(biāo)準(zhǔn)，滿足靜強(qiáng)度要求。車體的最大Von.Mises應(yīng)力發(fā)生在第7種工況下司機(jī)室立柱母材處，應(yīng)力值為156.765MPa，上下門角補(bǔ)強(qiáng)板區(qū)域、牽引梁下蓋板區(qū)域和司機(jī)室立柱母材區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中高發(fā)區(qū)域，應(yīng)力云圖如圖3所示。6 結(jié)語（1）通過有限元分析可以有效模擬出車體結(jié)構(gòu)在各種極限工作條件下發(fā)生最大應(yīng)力集中的區(qū)域，為車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了理論依據(jù)，是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期的有效手段。（2）本文中鋁合金A型地鐵車體在各種工況下的應(yīng)力水平均小于對應(yīng)結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。（3）本文的車體強(qiáng)度分析為鋁合金A型地鐵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。Reference1王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法.北京：清華大學(xué)出版社，2000.2EN 12663 ：2010鐵路應(yīng)用鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求.