a型地铁铝合金车体轻量化设计及结构优化设计研究

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1、A型地铁铝合金车体轻量化设计及结构优化设计研究王国军王丽中车株洲电力机车有限公司产品研发中心摘要：介绍国N某A型铝合金地铁车体轻量化设计及结构优化设计，并采用有限元仿真软件对车体结构进行了静强度、模态、疲劳性能分析，仿真结果均满足相关标准和技术规格书的要求，表明该铝合金车体结构设计合理。关键词：城轨车辆;铝合金车体;轻量化设计;结构优化设计;有限元仿真;0引言本文所述车辆采用6节编组（4动2拖，编组方式“Tc+Mp+M+M+Mp+Tc”），设计速度80km/h,采用受电弓受流，客室门采用电动塞拉门，地板为铝蜂窝双层地板结构

2、。车体结构为整体承载全焊接铝合金结构，为满足车辆运行载荷要求及相关标准要求，并达到车体轻量化的目的，对车体部分型材壁厚及筋板布置进行了优化，并对局部结构进行了设计优化。并采用有限元软件进行了车体静强度、模态、疲劳性能分析，为后续建立设计平台提供了技术支持和经验参考。1车体结构设计本文所述车体为A型地铁鼓形车体，采用大型屮空铝合金挤压型材和板材组焊而成，材料选用5系和6系铝合金，其加工及焊接性能均比较优良。车体结构采用模块式设计，由底架、顶盖、侧墙、端墙、司机室5大模块及车体附件组焊jfij成，具有良好的整体承载能力。Tc车

3、（带司机室）车体主要技术参数如下:车体长度23380mm,车辆定距15700mm,车体外侧最大宽度3092mm,车门间距4560mmo车体断面图如图1所示，Tc车车体三维模型如图2所示。图1车体断面图下载原图图1车体断面图下载原图图2Tc车三维模型下载原图1.1底架结构优化设计本文所述牟体底架相对以往A型车项0,主要从以下几个方面优化：（1）底架设备布置方式由长地板C型槽悬挂改为采用底架边梁悬挂的布置方式（如图3和图4所示），采用这种设备布置方式的优点在于可大量减少长地板上的C型槽数量,悬挂梁与底架边梁通过螺栓机械连接拆卸

4、方便，同时可大大降低设备振动对车体的影响，提高车辆舒适性。（2）长地板结构优化，长地板由6块型材拼焊改为由5块型材拼焊;长地板厚度由70mm改为60mm。（3）地板型材筋板优化，长地板型腔内部斜筋板厚度由2.5mm改为2mm,并增大筋板间距。图3底架优化前方案下载原图图4底架优化后方案下载原图1.2顶盖结构优化顶盖主耍由顶盖边梁、圆弧顶盖、顶盖端梁和空调平台组焊而成。以往A型车项目，圆弧顶盖结构主要由单层圆弧顶盖型材（单层板材带加强筋）拼焊而成，且在圆弧顶盖下方设置多个加强横梁以增强刚度和强度。本项0圆弧顶盖结构由带有型腔

5、的双层圆弧顶盖型材拼焊而成，主要有以下优点：（1）采用双层圆弧顶盖增加了顶盖的厚度且型材中间带有空腔，提高了车体保暖、隔音性能，同时提高了车顶的强度和刚度。（2）单层圆弧顶盖强度和刚度较弱，不能直接焊接安装座用来安装空调通风风道和纵横梁等，主要依靠加强横梁承载;双层圆弧顶盖可直接焊接设备安装座，强度足以承载空调通风风道和纵横梁，因此可以取消加强横梁并简化顶盖结构。1.3侧墙型材优化侧墙由12个（8块大侧墙和4块小侧墙单元）独立的侧墙单元组成，每个侧墙单元由侧墙板和门立柱组焊而成。作为顶盖和底架结构的连接部件，在满足车体的垂

6、向承载和侧偏刚度的前提下对门立柱型材和侧墙板型材进行了轻量化设计，门立柱型材厚度由85mm减小到70mm,侧墙板型材内部筋板由斜筋板改为直筋板。1.4司机室结构优化设计本文所述车辆不在司机室设罝紧急疏散门，司机操纵台布罝在司机室正前方位置，为保证司机操纵台布置空间以及司机视线范围，将位于司机室前方靠近车体中心II对称布置的前端立柱向车体两侧移动，车钩安装面上的纵向拉压载荷则主要通过司机室门框和前端立柱传递到侧墙，导致司机室上门梁与侧墙连接焊缝、上门梁与司机室门立柱连接焊缝应力较大，因此对主要承担载荷传递的司机室上门梁进行了

7、设计优化。通过增大司机室上门梁型材高度，由100mm增大到130mm,并在内部增加一横向筋板，且与侧墙通过焊缝连接。在司机室上门梁测与侧墙连接处设置机械加工的独立门角，使该处焊缝上的应力转移到独立门角的阅弧面上。司机室上门梁与司机室门立柱连接方式改为通过机械加工件连接，高应力区域由连接焊缝处转移到许用应力较高的母材区域。该位置的结构优化如图5所示。图5司机室门立柱与上纵梁连接位置结构优化下载原图2有限元分析2.1静强度分析选定Tc车进行静强度仿真分析。通过Hypermesh软件建立有限元模型，其中壳单元851490个，质量

8、单元77196个，刚性单元9个。车体主要采用表1所列3种材料，其许用应力见表1。车体静强度载荷工况的施加依据标准GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》和EN12663-1:2010《铁道应用-铁路车辆车体的结构要求》等标准。共计算了标准要求的24个典型工况，主要计算工况及结果如表2所示。材料