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摘要：随着我国城市化进程脚步的不断加快，国内的地铁也随之成为各大城市的重要交通工具之一，研发水平在不断地提高，在车体新材料和新工艺方面的研究也越来越多。铝合金材料以密度小、密封性好和易于挤压成型等优点，越来越广泛地应用于铝合金地铁车体。为确保车辆在工作状态下安全可靠，车体结构必须要有足够的刚度和强度，满足相关的技术标准。目前车体结构的强度计算分析主要采用有限元法，为其结构改进和优化提供依据。
关键词：铝合金；地铁车体；静强度；模态
随着大型铝合金中空挤压型材的开发及焊接技术的不断改进，组装和焊接件的数量逐渐减少，再加上铝合金车体具有减重效果好、耐腐蚀性强、运行平稳性好等优点，使其成为客车车体制造的首选型材。车体是地铁的主要承载部件之一，为保证它在运行中的安全性和可靠性，要求铝合金车体结构具有足够的强度和刚度，并满足相关技术标准的要求。下面以有限元法为基础，利用有限元分析软件ANSYS建立某地铁铝合金车体结构的有限元模型，并依据相关标准的规定对车体强度进行了多工况的计算分析，得到车体结构在各个工况下的应力水平、应力分布、刚度、自振频率及振型。由于中国地铁建设尚处于初级阶段，尽管有不少关于轮轨关系的定性描述，但对地铁振动荷载定量分析的研究还较少，目前还没有制定地铁强度标准和载荷工况标准，此次计算分析主要参照国外地铁车辆技术标准和铁路运输行业标准《内燃、电力机车车体静强度试验方法》（TB/T2541-1995）、国标《内燃机车通用技术条件》（GB3314）等规范和标准，确定车体的计算载荷、计算工况以及车体静强度、刚度、模态频率等计算结果要求。
1车体结构的有限元模型
1.1有限元模型坐标定义
由于B型车的拖车模型是纵向对称的，对于对称荷载只将结构的一半模型化（B侧），在本文中所有涉及坐标系的方向，均以下面的定义为准：车的结构以yoz平面为对称面；原点o在驾驶室地板前端中央；x向为从结构对称面指向车体侧墙；y向为从地板指向车顶；z向为从驾驶室指向车尾。
1.2载荷约束和边界条件
1.2.1整备状态和垂直过载工况
以无设备的车体为基准，考察在整备状态下的车体垂向变形，用一个总质量为6616kg的压载对车体进行加载，模拟总装和设备。动车在超员载荷下为最大载客情况，乘客为347人，每人质量按60kg计算，共20820kg。半车质量为10410kg，按均载作用在地板上，按照半车模型计算，半车体质量为4100kg，按照惯性力进行施加，设备质量为6616kg，在实际位置附近施加集中力。
1.2.2工作顺序的上梁压缩荷载
工作顺序的上梁压缩荷载工况是在上梁高度施加200kN的静态压缩荷载以确定车体结构在冲撞条件下的行为。
1.2.3工作顺序的组合荷载
在驾驶室端防爬器上施加一个压缩荷载与一个垂直荷载的组合以确定车体结构在冲撞条件下的行为，1200kN的压缩荷载在相对的防爬器上产生反作用力。
1.2.4超常垂直荷载中的车钩压缩荷载
通过车钩牵引装置施加600kN的静态压缩荷载以确定车体结构在挂钩、相碰和冲撞条件下的行为。地铁B型车拖车的车体结构有两种类型的材料：车体由铝合金纵向型材和壳组成；车身枕梁、端梁和驾驶室结构是钢制的。B型车的拖车车体结构、钢端梁和驾驶室端都用壳单元Shell代表。引入底架设备荷载时其密度施加在壳单元上。由一个车体模型、一个驾驶室模型、两个车体枕梁模型和一个钢端梁模型组成，建立的车体有限元模型包括124532个壳单元、381个梁单元、657个质量单元，共计102175个节点。
2计算工况和评定标准
依据《BSEN12663：2010铁道应用-轨道车身的结构要求》，确定车体静强度计算工况。此次分析主要包括9个计算工况：（1）计算工况1：空载工况；（2）计算工况2：最大运转载荷工况；（3）计算工况3：空载压缩工况；（4）计算工况4：空载拉伸工况；（5）计算工况5：超员压缩工况；（6）计算工况6：超员拉伸工况；（7）计算工况7：两端抬车工况；（8）计算工况8：一端抬车工况；（9）计算工况9：三点支撑工况。同时计算车体结构模态和整备状态下车体结构模态。
3车体的强度计算分析
3.1车体结构的应力分析
对铝合金车体有限元模型施加不同载荷工况下的边界条件，然后进行计算，得到车体结构在不同工况下的应力应变。对于材料的许用应力，在TB/T1335—1996《铁道车辆强度计算及试验鉴定规范》中，规定客车车体许用应力的安全系数为1.5；在日本规范JISE7105—4989《铁道车辆强度试验方法》中，规定许用应力的安全系数为1.0；而在欧洲规范EN12663中，确定的许用应力安全系数为1.15。
笔者综合考虑该铝合金车体的特点，安全系数的选取既不保守又比较安全，对只承受垂直载荷的工况安全系数取1.5，对既有垂直载荷又有纵向载荷的工况安全系数取1.25。在各个工况中，车体母材的应力。从结果中可以看出，车体母材的应力都在许用应力范围内。
3.2车体结构的模态分析
车体结构的模态是评价列车运行安全性和乘坐舒适性的一个重要参数。在列车运行过程中，若车体模态与转向架的固有频率相差不多，则有可能引起车体的共振，振动的加剧将引起轮轨间作用力剧增，使得乘坐舒适性下降，严重时会危及行车安全。地铁铝合金车体的模态分析包括整备状态（AW0）和超常状态（AW3）下的模态分析。由于两种状态下动载系数和乘员质量的不同，造成车体的振动频率也有所不同。
头车整备状态下（AW0）的一阶垂向弯曲和扭转模态，头车超常状态下（AW3）的一阶垂向弯曲和扭转模态。通过与同类型的车体模态相比较，可以看出车体的振动频率及振型符合要求，并能有效避开与转向架相关的振动模态，说明达到了设计要求。
4结束语
随着轨道交通事业的迅猛发展和人们生活水平的快速提高，人们对车体综合性能的要求越来越高。由于铝合金具有密封性好，重量轻，结构模块化程度高等特点，加之近年来，随着大型挤压铝型材制造技术的发展，铝合金车体在地铁上得到了广泛的应用。本文以铝合金地铁车体为研究对象，建立有限元模型，计算在各种工况作用下车体的刚度、静强度和模态，得出该铝合金地铁车体结构的刚度、静强度和模态均满足相关要求，为以后的车体有限元分析和设计提供参考。
参考文献：
[1]朱剑月，沈培德.地铁B2型铝合金车体结构设计与静强度分析[J].铁道机车车辆，2016，25（1）：14-16.
[2]白彦超，胡震，黄烈威.出口加纳动车组动车车体强度有限元分析及结构优化[J].铁道车辆，2018，47（12）：17-20.
[3]占彦，李强，王刚.地铁车体改造结构强度及模态分析[J].都市快轨交通，2017，24（1）：101-104.
（作者单位：中车唐山机車车辆有限公司）
关键词：铝合金；地铁车体；静强度；模态
随着大型铝合金中空挤压型材的开发及焊接技术的不断改进，组装和焊接件的数量逐渐减少，再加上铝合金车体具有减重效果好、耐腐蚀性强、运行平稳性好等优点，使其成为客车车体制造的首选型材。车体是地铁的主要承载部件之一，为保证它在运行中的安全性和可靠性，要求铝合金车体结构具有足够的强度和刚度，并满足相关技术标准的要求。下面以有限元法为基础，利用有限元分析软件ANSYS建立某地铁铝合金车体结构的有限元模型，并依据相关标准的规定对车体强度进行了多工况的计算分析，得到车体结构在各个工况下的应力水平、应力分布、刚度、自振频率及振型。由于中国地铁建设尚处于初级阶段，尽管有不少关于轮轨关系的定性描述，但对地铁振动荷载定量分析的研究还较少，目前还没有制定地铁强度标准和载荷工况标准，此次计算分析主要参照国外地铁车辆技术标准和铁路运输行业标准《内燃、电力机车车体静强度试验方法》（TB/T2541-1995）、国标《内燃机车通用技术条件》（GB3314）等规范和标准，确定车体的计算载荷、计算工况以及车体静强度、刚度、模态频率等计算结果要求。
1车体结构的有限元模型
1.1有限元模型坐标定义
由于B型车的拖车模型是纵向对称的，对于对称荷载只将结构的一半模型化（B侧），在本文中所有涉及坐标系的方向，均以下面的定义为准：车的结构以yoz平面为对称面；原点o在驾驶室地板前端中央；x向为从结构对称面指向车体侧墙；y向为从地板指向车顶；z向为从驾驶室指向车尾。
1.2载荷约束和边界条件
1.2.1整备状态和垂直过载工况
以无设备的车体为基准，考察在整备状态下的车体垂向变形，用一个总质量为6616kg的压载对车体进行加载，模拟总装和设备。动车在超员载荷下为最大载客情况，乘客为347人，每人质量按60kg计算，共20820kg。半车质量为10410kg，按均载作用在地板上，按照半车模型计算，半车体质量为4100kg，按照惯性力进行施加，设备质量为6616kg，在实际位置附近施加集中力。
1.2.2工作顺序的上梁压缩荷载
工作顺序的上梁压缩荷载工况是在上梁高度施加200kN的静态压缩荷载以确定车体结构在冲撞条件下的行为。
1.2.3工作顺序的组合荷载
在驾驶室端防爬器上施加一个压缩荷载与一个垂直荷载的组合以确定车体结构在冲撞条件下的行为，1200kN的压缩荷载在相对的防爬器上产生反作用力。
1.2.4超常垂直荷载中的车钩压缩荷载
通过车钩牵引装置施加600kN的静态压缩荷载以确定车体结构在挂钩、相碰和冲撞条件下的行为。地铁B型车拖车的车体结构有两种类型的材料：车体由铝合金纵向型材和壳组成；车身枕梁、端梁和驾驶室结构是钢制的。B型车的拖车车体结构、钢端梁和驾驶室端都用壳单元Shell代表。引入底架设备荷载时其密度施加在壳单元上。由一个车体模型、一个驾驶室模型、两个车体枕梁模型和一个钢端梁模型组成，建立的车体有限元模型包括124532个壳单元、381个梁单元、657个质量单元，共计102175个节点。
2计算工况和评定标准
依据《BSEN12663：2010铁道应用-轨道车身的结构要求》，确定车体静强度计算工况。此次分析主要包括9个计算工况：（1）计算工况1：空载工况；（2）计算工况2：最大运转载荷工况；（3）计算工况3：空载压缩工况；（4）计算工况4：空载拉伸工况；（5）计算工况5：超员压缩工况；（6）计算工况6：超员拉伸工况；（7）计算工况7：两端抬车工况；（8）计算工况8：一端抬车工况；（9）计算工况9：三点支撑工况。同时计算车体结构模态和整备状态下车体结构模态。
3车体的强度计算分析
3.1车体结构的应力分析
对铝合金车体有限元模型施加不同载荷工况下的边界条件，然后进行计算，得到车体结构在不同工况下的应力应变。对于材料的许用应力，在TB/T1335—1996《铁道车辆强度计算及试验鉴定规范》中，规定客车车体许用应力的安全系数为1.5；在日本规范JISE7105—4989《铁道车辆强度试验方法》中，规定许用应力的安全系数为1.0；而在欧洲规范EN12663中，确定的许用应力安全系数为1.15。
笔者综合考虑该铝合金车体的特点，安全系数的选取既不保守又比较安全，对只承受垂直载荷的工况安全系数取1.5，对既有垂直载荷又有纵向载荷的工况安全系数取1.25。在各个工况中，车体母材的应力。从结果中可以看出，车体母材的应力都在许用应力范围内。
3.2车体结构的模态分析
车体结构的模态是评价列车运行安全性和乘坐舒适性的一个重要参数。在列车运行过程中，若车体模态与转向架的固有频率相差不多，则有可能引起车体的共振，振动的加剧将引起轮轨间作用力剧增，使得乘坐舒适性下降，严重时会危及行车安全。地铁铝合金车体的模态分析包括整备状态（AW0）和超常状态（AW3）下的模态分析。由于两种状态下动载系数和乘员质量的不同，造成车体的振动频率也有所不同。
头车整备状态下（AW0）的一阶垂向弯曲和扭转模态，头车超常状态下（AW3）的一阶垂向弯曲和扭转模态。通过与同类型的车体模态相比较，可以看出车体的振动频率及振型符合要求，并能有效避开与转向架相关的振动模态，说明达到了设计要求。
4结束语
随着轨道交通事业的迅猛发展和人们生活水平的快速提高，人们对车体综合性能的要求越来越高。由于铝合金具有密封性好，重量轻，结构模块化程度高等特点，加之近年来，随着大型挤压铝型材制造技术的发展，铝合金车体在地铁上得到了广泛的应用。本文以铝合金地铁车体为研究对象，建立有限元模型，计算在各种工况作用下车体的刚度、静强度和模态，得出该铝合金地铁车体结构的刚度、静强度和模态均满足相关要求，为以后的车体有限元分析和设计提供参考。
参考文献：
[1]朱剑月，沈培德.地铁B2型铝合金车体结构设计与静强度分析[J].铁道机车车辆，2016，25（1）：14-16.
[2]白彦超，胡震，黄烈威.出口加纳动车组动车车体强度有限元分析及结构优化[J].铁道车辆，2018，47（12）：17-20.
[3]占彦，李强，王刚.地铁车体改造结构强度及模态分析[J].都市快轨交通，2017，24（1）：101-104.
（作者单位：中车唐山机車车辆有限公司）