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摘 要：文章介绍了一种B型铝合金鼓形车体结构的轻量化设计，建立了该车体结构的有限元模型，并依据相关标准分析了其在各个工况下的应力、变形及模态频率。结果表明，该车体结构的强度和刚度均满足相关技术要求。
关键词：地铁；车辆；鼓形；车体；有限元；铝合金
本文介绍的是一款具有流线外形，采用轻量化设计，适合在城市高架线路上运营的全新B型铝合金鼓形车体。得益于铝合金型材挤压技术和折弯技术的日益成熟，车体轻量化设计的可靠性和稳定性得到了有力保证。本设计存在两大技术难点：其一是据现有挤压和焊接工艺，设计满足全寿命使用要求的轻量化车体结构；其二是设计满足流线形头罩安装的功能情司机室骨架结构。本文將就上述两点分析车体结构，并利用有限元方法对其结构强度和模态振型进行分析。
1 车体结构设计
本轻量化车体为整体承载的铝合金全焊接结构，由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室骨架结构等部分组成。其主要技术参数如下：长度/mm19300最大宽度/mm2800高（轨面至车顶）/mm3687车辆定距/mm12600车门间距/mm4450车体自重/t6.6整备重量/空载（AWO）/t31超载（AW3）/人326设计时速/km/h90车体鼓形断面以车辆限界为基础确定车体外部轮廓线及车体鼓形拐点，充分利用了限界空间，扩展了车辆内部的乘客站立空间。
1.1车体主体结构型材设计
车体的主体结构均为大断面中空型材，主要有底架边梁、车顶边梁、端墙、门立柱、侧墙板、底架地板等，其总重占车体重量达80%。目前，国内企业能挤压出满足铁路应用要求的铝合金型材最小壁厚为2mm，随着截面增大和内部筋板厚度的降低，挤压难度增加；在车体焊接方面，国内主要采用MIG焊，且随着铝合金板厚的降低，其焊接难度和变形是不断增大的。同时，考虑焊接质量和安全性，主体结构须保证连接处型材外壁具有足够的厚度。
一般情况下，车顶边梁和长梁型材均采用大断面、稀疏而厚度较大的筋板，直接导致了车顶重量的增加。这里通过合理配比筋板数量、截面材料利用率等，使重量大幅下降。与以往在长梁型材上加工空调梁不同，本结构单独设计空调梁并阻焊在长梁上，节省了大量的材料和加工成本。
侧墙板型材断面大量采用三角形或梯形截面，3～4mm的外壁和2～3mm的内筋板，保证了侧墙的平面度和刚度。门立柱采用“日”字型腔，较小的壁厚就能达到很好的折弯性能和刚度。
底架边梁内筋板厚度为3～4mm，外壁厚度约5mm，保证了结构刚度和焊接性。为简化安装和增加长地板的设备悬挂能力，长地板上分布了大量的C形槽。
端墙包括端墙立柱和墙壁，为了保证端墙的稳定性，采用了一块整体型材。
1.2司机室结构设计
司机室采用流线形设计，其骨架结构须满足三个功能：一是强度要求；二是使司机室空间最大化；三是匹配头罩，预留足够的安装空间。
司机室骨架结构图，其设计重难点包括以下几个部分：
（1）主横梁及支撑立柱。为增加连接的可靠性，应增加主横梁与门立柱的焊缝长度，同时预留头罩粘接区域。主横梁与门立柱焊接区域要避开门立柱的折弯区，同时应考虑司机操纵台的主要是安装及视野开度等对主横梁的高度要求。
（2）纵梁。司机室门立柱变形主要是主横梁纵向挤压引起的。为减小门立柱的变形，分散纵向力，这里设置纵梁与主横梁相接，将纵向力传递到车顶，并在纵梁弯曲前段设置了三根弯横梁，向门立柱上部传力。此外，纵梁仰角、折弯半径和断面尺寸是设计中优化的重点。
（3）弯横粱。结构设计的关键在于设计适当的弯曲半径、U型材的截面和撑板等。
（4）与接口有关的功能结构设计，主要有前窗上横梁和短纵梁。
2 有限元建模
2.1有限元模型
本计算采用I-deas仿真软件，根据车体型材和板材的不同厚度，将三维模型简化为不同板厚的几何中面，而后离散为具有相同材料属性的网格模型。计算模型包括196687个节点，250688个壳单元，其中四边形壳单元（she11）245329个，三角形壳单元5357个，刚体单元2个。
2.2计算工况
参照标准EN12663—2000：铁路车辆车体的结构强度要求，共计算了22种工况，主要考核工况如下。
工况O：AWO空载工况；
工况1：AW3超载工况，客室区站立区9人/m2；
工况2：1.3倍AW3工况；
工况3：工况1+纵向800kN压缩力；
工况4：工况l+纵向640kN拉伸力；
工况5：工况0+纵向300kN前窗压力；
工况6：工况0+纵向300kN后端墙压力；
工况7：带转向架四点架车，每个转向架5.75t；
工况8：复轨工况，垂向AWO+顶车端转向架重量5.75t，；
工况9：牵引梁三点架车，垂向AWO，一顶车点放开垂向约束；
工况10：枕梁三点架车，垂向AWO，一架车点放开垂向约束。
3 结果分析
3.1车体变形
AW3状态下，相对于无重力状态，底架边梁的最大垂向位移为7.3mm。根据GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》标准，“在最大垂直载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1%‰”，该车的两转向架支撑点之间距离为12600mm，所以该铝合金车体的刚度符合要求。
3.2应力分析
设计许用应力是由材料极限应力除以相应的安全系数得到的。应用中根据设计工况出现的概率和重要程度来确定安全系数的大小。如运营载客工况，选用较高的安全系数1.3，复轨架车工况等选用较低的安全系数1.1。根据材料和制造工艺的不同，计算结果应相对安全系数有一定的裕量。
超载状态下车钩压缩载荷工况，车体各主要零部件的应力。
各极限工况下的危险点应力云图。计算结果显示，各工况下车体结构及焊缝的计算应力均小于相应许用应力，满足设计要求。
4 模态分析
模态分析可以计算车体结构的固有频率和确定车体的振型，而固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，模态分析还可用于判断结构的整体或局部的刚度。为提高车体刚度，保证车辆在要求的空间限界内，避免由于外界激振引起车体的不良动态响应，提高车辆舒适度提供参考。此次分析用质量块模拟设备重量加载在车体上，并采用了拉格朗日算法。计算分两种工况，即空车自由模态和整备状态自由模态。车体空车自由模态和整备状态自由模态的前6阶计算结果。
通常，转向架的振动频率为4～6HZ。而车体整备状态下一阶垂向弯曲频率为9.82HZ，为转向架振动频率的1.6倍以上，不会与转向架产生激振，符合设计要求。
5 结束语
通过对车体结构进行有限元分析，其结果表明车体的结构强度和刚度均满足EN12663-2000标准要求。其流线形的司机室骨架结构和轻量化设计为B型地铁鼓形车体结构的优化设计提供了技术基础。
参考文献：
[1]EN12663-2000，铁路车辆车体的结构强度要求[s].
[2]EN15085-2007，轨道车辆及其部件的焊接.
关键词：地铁；车辆；鼓形；车体；有限元；铝合金
本文介绍的是一款具有流线外形，采用轻量化设计，适合在城市高架线路上运营的全新B型铝合金鼓形车体。得益于铝合金型材挤压技术和折弯技术的日益成熟，车体轻量化设计的可靠性和稳定性得到了有力保证。本设计存在两大技术难点：其一是据现有挤压和焊接工艺，设计满足全寿命使用要求的轻量化车体结构；其二是设计满足流线形头罩安装的功能情司机室骨架结构。本文將就上述两点分析车体结构，并利用有限元方法对其结构强度和模态振型进行分析。
1 车体结构设计
本轻量化车体为整体承载的铝合金全焊接结构，由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室骨架结构等部分组成。其主要技术参数如下：长度/mm19300最大宽度/mm2800高（轨面至车顶）/mm3687车辆定距/mm12600车门间距/mm4450车体自重/t6.6整备重量/空载（AWO）/t31超载（AW3）/人326设计时速/km/h90车体鼓形断面以车辆限界为基础确定车体外部轮廓线及车体鼓形拐点，充分利用了限界空间，扩展了车辆内部的乘客站立空间。
1.1车体主体结构型材设计
车体的主体结构均为大断面中空型材，主要有底架边梁、车顶边梁、端墙、门立柱、侧墙板、底架地板等，其总重占车体重量达80%。目前，国内企业能挤压出满足铁路应用要求的铝合金型材最小壁厚为2mm，随着截面增大和内部筋板厚度的降低，挤压难度增加；在车体焊接方面，国内主要采用MIG焊，且随着铝合金板厚的降低，其焊接难度和变形是不断增大的。同时，考虑焊接质量和安全性，主体结构须保证连接处型材外壁具有足够的厚度。
一般情况下，车顶边梁和长梁型材均采用大断面、稀疏而厚度较大的筋板，直接导致了车顶重量的增加。这里通过合理配比筋板数量、截面材料利用率等，使重量大幅下降。与以往在长梁型材上加工空调梁不同，本结构单独设计空调梁并阻焊在长梁上，节省了大量的材料和加工成本。
侧墙板型材断面大量采用三角形或梯形截面，3～4mm的外壁和2～3mm的内筋板，保证了侧墙的平面度和刚度。门立柱采用“日”字型腔，较小的壁厚就能达到很好的折弯性能和刚度。
底架边梁内筋板厚度为3～4mm，外壁厚度约5mm，保证了结构刚度和焊接性。为简化安装和增加长地板的设备悬挂能力，长地板上分布了大量的C形槽。
端墙包括端墙立柱和墙壁，为了保证端墙的稳定性，采用了一块整体型材。
1.2司机室结构设计
司机室采用流线形设计，其骨架结构须满足三个功能：一是强度要求；二是使司机室空间最大化；三是匹配头罩，预留足够的安装空间。
司机室骨架结构图，其设计重难点包括以下几个部分：
（1）主横梁及支撑立柱。为增加连接的可靠性，应增加主横梁与门立柱的焊缝长度，同时预留头罩粘接区域。主横梁与门立柱焊接区域要避开门立柱的折弯区，同时应考虑司机操纵台的主要是安装及视野开度等对主横梁的高度要求。
（2）纵梁。司机室门立柱变形主要是主横梁纵向挤压引起的。为减小门立柱的变形，分散纵向力，这里设置纵梁与主横梁相接，将纵向力传递到车顶，并在纵梁弯曲前段设置了三根弯横梁，向门立柱上部传力。此外，纵梁仰角、折弯半径和断面尺寸是设计中优化的重点。
（3）弯横粱。结构设计的关键在于设计适当的弯曲半径、U型材的截面和撑板等。
（4）与接口有关的功能结构设计，主要有前窗上横梁和短纵梁。
2 有限元建模
2.1有限元模型
本计算采用I-deas仿真软件，根据车体型材和板材的不同厚度，将三维模型简化为不同板厚的几何中面，而后离散为具有相同材料属性的网格模型。计算模型包括196687个节点，250688个壳单元，其中四边形壳单元（she11）245329个，三角形壳单元5357个，刚体单元2个。
2.2计算工况
参照标准EN12663—2000：铁路车辆车体的结构强度要求，共计算了22种工况，主要考核工况如下。
工况O：AWO空载工况；
工况1：AW3超载工况，客室区站立区9人/m2；
工况2：1.3倍AW3工况；
工况3：工况1+纵向800kN压缩力；
工况4：工况l+纵向640kN拉伸力；
工况5：工况0+纵向300kN前窗压力；
工况6：工况0+纵向300kN后端墙压力；
工况7：带转向架四点架车，每个转向架5.75t；
工况8：复轨工况，垂向AWO+顶车端转向架重量5.75t，；
工况9：牵引梁三点架车，垂向AWO，一顶车点放开垂向约束；
工况10：枕梁三点架车，垂向AWO，一架车点放开垂向约束。
3 结果分析
3.1车体变形
AW3状态下，相对于无重力状态，底架边梁的最大垂向位移为7.3mm。根据GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》标准，“在最大垂直载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1%‰”，该车的两转向架支撑点之间距离为12600mm，所以该铝合金车体的刚度符合要求。
3.2应力分析
设计许用应力是由材料极限应力除以相应的安全系数得到的。应用中根据设计工况出现的概率和重要程度来确定安全系数的大小。如运营载客工况，选用较高的安全系数1.3，复轨架车工况等选用较低的安全系数1.1。根据材料和制造工艺的不同，计算结果应相对安全系数有一定的裕量。
超载状态下车钩压缩载荷工况，车体各主要零部件的应力。
各极限工况下的危险点应力云图。计算结果显示，各工况下车体结构及焊缝的计算应力均小于相应许用应力，满足设计要求。
4 模态分析
模态分析可以计算车体结构的固有频率和确定车体的振型，而固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，模态分析还可用于判断结构的整体或局部的刚度。为提高车体刚度，保证车辆在要求的空间限界内，避免由于外界激振引起车体的不良动态响应，提高车辆舒适度提供参考。此次分析用质量块模拟设备重量加载在车体上，并采用了拉格朗日算法。计算分两种工况，即空车自由模态和整备状态自由模态。车体空车自由模态和整备状态自由模态的前6阶计算结果。
通常，转向架的振动频率为4～6HZ。而车体整备状态下一阶垂向弯曲频率为9.82HZ，为转向架振动频率的1.6倍以上，不会与转向架产生激振，符合设计要求。
5 结束语
通过对车体结构进行有限元分析，其结果表明车体的结构强度和刚度均满足EN12663-2000标准要求。其流线形的司机室骨架结构和轻量化设计为B型地铁鼓形车体结构的优化设计提供了技术基础。
参考文献：
[1]EN12663-2000，铁路车辆车体的结构强度要求[s].
[2]EN15085-2007，轨道车辆及其部件的焊接.