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地铁车体结构的刚度及静强度分析
李娅娜+张宇婷+韩肖
摘要：为优化某地铁中间车结构，缩短设计周期，建立车体有限元分析模型；依据EN 12663-2010标准，计算车体有限元模型在主要工况下的应力分布，并将仿真结果与试验数据进行对比分析.大多数点的仿真结果与试验数据很接近，误差大多数在10%以内，表明计算建模可靠；同时发现个别误差较大点所在位置，分析误差产生的原因.
关键词：地铁； 车体； 有限元； 应力； 试验
中图分类号： U270.33； TB115.1
文献标志码： B
Abstract：To optimize the structure of a subway middle car and shorten the design cycle， a finite element analysis model of car body is built. According to the standard EN 12663-2010， the stress distribution of the finite element model is calculated in the main cases， and the simulation result is compared with the test data. The simulation results of most of the points are very close to the test data and the most errors are within 10%. It shows that the model for calculation is reliable. At the same time， a few points with large error are located and the causes are analyzed.
Key words：subway； car body； finite element； stress； test
0 引 言
随着城市人口的急速增长，地面车辆增加较快，交通拥堵现象严重.地铁车具有运量大、速度快、运营模式灵活以及节约地面空间等优势，对大城市交通的积极作用日益被人们所认识.[1-4]随着轨道车辆轻量化和高速化的需求及铝型材加工技术的不断提升，作为地铁车的一种新思路，钢铝混合车以其集合铝材料质量轻和钢材料强度高两者的显著优点[5]，在世界各国城市交通和铁道运输领域得到越来越广泛的应用.
有限元分析已被证明是一种经济有效的设计分析手段.[6]有限元分析的正确性和精确性依赖于分析全过程每个环节误差的控制，及其环环相扣的误差积累程度，可能的误差包括：1）几何模型本身的误差，例如车体各部分板厚、焊接关系以及部件之间的连接关系；2）几何模型在有限元离散过程中产生的误差，包括网格的离散、连接关系的处理、边界条件的近似和载荷条件的近似等多种因素；3）有限元分析中代数方程组求解过程中产生的误差，例如单元刚度矩阵数值积分、迭代求解的近似计算误差、计算机的舍入误差等；4）有限元计算软件系统的编程误差.要获得正确可靠的分析结果，每一阶段的误差都不能忽视.[7]
对复杂结构进行有限元分析，判断分析结果准确性的重要指标是其计算结果与试验数据的符合程度.针对地铁列车车体的结构和承载特点，基于有限元建模软件HyperMesh和性能分析软件ANSYS，建立某地铁中间车体有限元模型，根据相关标准分析评价车体结构的静强度，并将车体静强度5个工况的仿真结果与试验的测点数据进行对比分析，讨论仿真结果与试验数据之间差异的影响因素.
1 车体结构特点
该地铁车体的主体结构由底架、侧墙、端墙和车顶组成.车体基本结构是底架无中梁的铝合金整体承载焊接结构，侧墙断面为鼓形.侧墙、端墙和车顶为铝合金结构，底架为钢铝混合结构，其中缓冲梁、枕梁为钢结构，其余如地板、横梁等为铝合金结构.整体采用筒形结构，传力结构为整体承载方式，即车体关键受力部位在承受外部变载荷后，通过焊接在一起的型材将外部载荷传递到车体各个部位，进而车体发生相应变形.[8-10]车体进行组装时，车顶、侧墙、端墙和底架结构间采用焊接方式连接，铝合金结构与钢结构之间铆接连接，确保连接可靠.
2 车体结构有限元计算
2.1 车体有限元模型
根据该地铁车几何模型进行有限元网格划分，具体建模描述如下.
1）车体大部分结构，如车顶、侧墙、端墙、底架等，采用4节点薄壳单元（SHELL181）模拟，充分考虑横向的剪切刚度.作为承载的主要结构，车体底架划分网格时使用较小的网格，尺寸为15～20 mm.车顶侧墙中部结构比较规则，除窗角、门角外应力一般不太大，因此采用较为稀疏的网格，尺寸为20～30 mm.
2）车体上铝合金结构和钢结构存在铆接工艺，建模时用BEAM188单元模拟；铝合金型材搭接部位的焊接关系用RIGID刚性单元模拟.
3）车体模型无重力加速度，车体钢结构质量用质量单元的形式平铺在地板面上，以完全模拟试验过程.车顶2组空调质量均为0.7 t，用质量单元MASS21模拟，并用RBE3单元吊在车顶相应位置，其他设备以质量单元的形式平铺在地板面上.
2.3 计算载荷工况和约束
根据EN 12663-2010标准，对该地铁车以5种工况进行仿真试验，并对结果进行数据对比.各载荷工况施加见表1.工况1～4采用的位移约束均为：二位端车钩座处约束纵向位移；中心销处约束横向位移；4个空气簧处约束垂向位移.工况5采用的位移约束为：二位端车钩座处约束纵向位移；二位端中心销处约束横向位移；二位端2个空气簧处约束垂向位移；一位端复轨位约束垂向位移.
工况编号工况名称载荷说明
1超员载荷（1.3×AW3）工况垂向载荷：1.3×（整备状态下的车辆自重+ 超载时的乘客质量）
2压缩组合
工况压缩载荷：压缩力800 kN（沿车体中心线施加在车钩处）
垂向载荷：整备状态下的车辆自重 + 超载时的乘客质量
3拉伸组合
工况拉伸载荷：拉伸力640 kN（沿车体中心线施加在车钩处）
垂向载荷：整备状态下的车辆自重+ 超载时的乘客质量
4二位端部腰带高度压缩工况压缩载荷：压缩力300 kN（沿车体中心线施加在二位端腰带高度）
垂向载荷：整备状态下的车辆自重
5复轨工况垂向载荷：1.1×（整备状态下的车辆自重+转向架的质量7 t）（转向架质量施加于二位端中心销处）
2.4 仿真计算结果分析
使用ANSYS软件对有限元模型进行计算，通过对该车体的静强度进行分析，5种计算载荷工况下的最大von Mises应力均小于材料的许用应力，该地铁车体的静强度满足设计要求.以上5种工况下车体的最大应力及其发生部位见表2.
3 仿真计算与试验数据对比分析
3.1 车体静强度试验概况
在样车的静强度试验中，空调质量以配重方式施加到空调位置，吊装和内装结构质量通过配重进行补偿，均布载荷通过多个气缸垂直施加在枕木上，最终传递至车体地板.以超员载荷（1.3×AW3）工况为例，垂向载荷试验步骤为：1）传感器信号清零；2）逐步施加垂向载荷，使车体总质量为
m0；3）采集数据；4）逐步施加垂向载荷，使车体总质量等于m1；5）采集数据；6）逐步施加垂向载荷，使车体总质量等于m1+m2；7）采集数据；8）逐步施加垂向载荷，使得车体总质量等于1.3（m1+m2）；9）采集数据；10）卸掉垂向载荷；11）检查传感器信号是否回到零位.其中：m0为准备好用于试验的车体质量；m1为整备状态下的车体质量；m2为最大有效载荷.因篇幅有限，其他工况垂向载荷的试验步骤不详细说明.纵向载荷通过纵向加载设备施加在相应部位.车体静强度试验的现场照片见图2.
试验样车车体上共安装185个单向应变片，8个三向应变片，测试的总体布点见图3，部分主要布点见图4.这些测试点中大部分采用二向应变片，仅在一些受力复杂的部位需用三向应变片.在有限元模型中找到与试验时贴片位置大体相一致的点进行结果对比，确保结果可靠.
3.2 仿真计算与试验数据对比分析
试验结束后，根据试验报告提取各个测点的应力，选择测试应力值较大的点，对计算结果和试验数据进行对比分析，绘制直方图，见图5～9.
由该地铁中间车车体静强度试验结果与仿真计算结果对比可以看出，2种结果具有很好的一致性，说明车体性能仿真模型可以很好地反映车体结构的实际传力特性和车体的实际承载能力.总体来看，多数点的试验结果与仿真结果很接近，误差大多在10%以内，但个别测点误差较大，具体为：在工况1和2中，测点A30误差分别为44.32%和24.58%，主要原因是由于窗边型材结构简化；在工况2和3中，测点A32误差分别为10.33%和30.28%，误差原因可能是窗边结构简化与实际结构有一定差异；在工况4和5中，测点B06误差分别为18.52%和14.12%，焊缝附近测点误差较大的原因可能是门角焊的焊角焊高等特征在有限元模型中并未体现，使得焊缝附近的力的传递路线有所改变；在工况4中，测点E13误差为27.64%，原因可能是枕梁下盖板与边梁焊接处过渡圆弧简化.
此外，板材加工误差和车体装配误差，应变片漂移的影响和测试区域应力梯度的变化等不可控制因素都会使试验结果与仿真结果产生一定误差.
4 结 论
1）对某地铁中间车车体建模计算，车体5种静强度的von Mises应力值小于材料的许用应力，车体结构强度满足设计要求.
2）根据试验数据，进行仿真分析结果与试验数据的对比分析，发现两者具有很好的一致性，因此，所建立的有限元仿真模型能有效反映车体结构的实际传力特性以及车体的实际承载能力.
3）由于建模过程中简化部分圆角过渡区域，如门角和窗角等，使得计算应力与测试应力的误差超出10%，所以在对车体进行有限元仿真时，应重点关注这些部位.
参考文献：
[1]曾妮. 城轨车辆车体材料的发展与选择[J]. 黑龙江科技信息， 2012， （29） ： 282- 283.
ZENG N. Development and selection of vehicle body material for urban rail vehicles[J]. Heilongjiang Science and Technology Information， 2012（29）： 282-283. DOI： 10.3969/j.issn.1673-1328.2012.29.284.
[2] 张翔. 城市化与道路客运发展关系研究[D]. 西安： 长安大学， 2010.
[3] 程潮刚. 城市轨道交通项目风险管理研究及应用[D]. 成都： 西南交通大学， 2013.
[4] 张庆娟. 城市轨道交通成本构成分析——以北京地铁四号线为例[D]. 北京： 北京交通大学， 2010.
[5] 王炎金， 丁国华， 王俊玖. 铝合金车体制造技术在中国的发展现状和展望[J]. 焊接， 2004， （10）： 5-7.
WANG Y J， DING G H， WANG J J. Status quo and prospect of manufacture technology about aluminium alloy bodywork[J]. Welding & Joining， 2004（10）： 5-7. DOI： 10.3969/j.issn.1001-1382.2004.10.001.
[6] 孙海霞， 戴京涛， 姜伟， 等. 有限元法在机械工程中的应用与发展[J]. 科技创新导报， 2011（3）： 84.
SUN H X， DAI J T， JIANG W， et al. FEM Application and development in mechanical engineering[J]. Science and Technology Innovation Herald， 2011（3）： 84. DOI： 10.3969/j.issn.1674-098X.2011.03.066.
[7] 王勖成， 邵敏. 有限单元法基本理论和数值方法[M]. 北京： 清华大学出版社， 1997.
[8] 周建乐， 王军. 地铁车辆铝合金车体的设计[J]. 城市轨道交通研究， 2000（2）： 53-56.
ZHOU J L， WANG J. Subway vehicle aluminum car body design[J]. Urban Mass Ansit， 2000（2）： 53-56. DOI： 10.3969/j.issn.1007-869X.2000.02.014.
[9] 吴海. 高强铝合金整体与局部耦合稳定性能研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2011.
[10] 王爱彬. 高速动车组拖车车体结构强度分析及优化设计[D]. 北京： 北京交通大学， 2010.
（编辑 武晓英）
