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1、城市轨道车辆车体强度研究 摘要：不锈钢地铁车辆的车体结构除底架外，其余部件材料基本上都采用不锈钢板，其制造工艺方法主要为电阻点焊，本文分析了车体结构在各个工况下产生的应力、变形和模态、结果表明该不锈钢车体的强度满足要求。关键词:地铁;不锈钢;车体;有限元;点焊中图分类号：TF764+.1文献标识码：A文章编号：引言地铁不锈钢车体以强度重量比高、耐腐蚀性能好、使用寿命长、安全性高和维修量少等优点,越来越受到青睐。目前不锈钢车体已经在国外的地铁车辆中得到广泛的应用。然而用于地铁车体的不锈钢材料具有较低的热传导率和高的热膨胀系数,
2、使得不锈钢的焊接性能较差。不锈钢材质焊接时产生的热量不能很快散失，大量的热量积聚于焊缝区域,，容易产生焊接变形。为减小焊接变形和防止高温下不锈钢材料机械性能的下降,地铁不锈钢车体结构的连接多采用电阻点焊方式，尤其是侧墙部分，上万个焊点密布于车身。为保证车体强度,保证乘客人身安全,必须对地铁车体进行强度及刚度的校核。7随着现代有限元分析软件的发展成熟，很多产品已经应用到了有限元分析软件，本文以国内某型地铁不锈钢车体为例，建立车体结构有限元仿真模型，对强度、刚度进行分析研究，并将结果与实验数据比较，检验仿真分析的合理性。1车体的结
3、构特点该地铁不锈钢车辆属于B型车，包括头车和中间车，其车体主要承载件!除头车司机室和牵枕缓部件由耐候钢（0.9CuPCrNi）构件焊接而成外，其余构件均由不锈钢SUS301和SUS304焊接而成，主要焊接形式是点焊和圆弧焊，头车车体结构包括司机室、侧墙、底架、车顶和端墙5部分，中间车车体结构不带司机室，端墙为前后两个，其余结构与头车基本相同。以下分析主要结合中间车车体结构进行。不锈钢中间车车体钢结构采用整体承载无中梁的薄壁筒形结构。底架骨架主要由牵引梁、枕梁、缓冲梁、中部横梁和连接板组成。7为了满足强度要求，在枕梁及枕梁以外的
4、牵引梁处均加了补强板。为了使力传递到车体中部，在枕梁以内还加了纵向加强梁。侧墙骨架主要由侧墙下边梁、侧墙立柱、侧墙横梁、门框、加强横梁和连接板组成。端墙骨架主要由端立柱、端横梁、补板和连接板组成。车顶骨架主要由车顶边梁、车顶横梁、平顶纵、横梁等组成。区别于传统的碳钢车体骨架梁件之间的搭接缝焊连接。不锈钢车体主要采用连接接头连接。该车参考日本轻型不锈钢车辆的骨架连接方式，通过对车体各骨架连接部位设计的归纳分析，大多数接头采用一种基本的连接方式——立体接头连接。接头中连接板与侧墙板、车窗横梁、侧立柱之间采用双排点焊连接：连接板2与
5、窗间横梁、腰带梁、侧立柱腹板之间采用塞焊连接；连接板3与车顶边梁塞焊连接、与侧墙上方小立柱盖板双排点焊连接。这样既可以保证接头的强度，又可以减少侧墙车窗横梁、腰带梁和侧立柱盖板、腹板和翼板的焊接变形、保证车体外观的平整度。不锈钢车体结构中底架横梁和底架边梁之间，车顶弯梁与车顶上边梁之间，端墙立柱与端墙横梁之间等都采用这种立体接头的连接方式，只是连接板的结构稍有不同。2车体有限元模型的建立考虑车体的纵向对称性及减少计算时间,故取车体1/2结构进行模拟。根据车体各部件的力学性能、尺寸,在几何模型的基础上进行结构离散。除侧墙门角铁部
6、位采用实体单元模拟外,底架、侧墙、车顶、端墙四大部件结构均采用壳单元离散。实际中车体不锈钢之间的连接采用电阻点焊,焊点密布于车身各处,是典型的点传力结构。因此,有效地模拟焊点是仿真的关键。由于点焊区域存在几何不连续、残余应力、材料特性不一致以及焊接过程中产生的缺陷等,对于自由度较少的模型,可以用接近真实的结构去模拟,7但对于这种含有大量点焊的不锈钢车体,要详细建立每个点焊模型非常耗时。因此,本文建模时为使仿真模拟与工程实际相吻合,焊点采用三维梁单元进行模拟。1/2车体单元共计589310个,节点为600817个。模型材料参数:
7、不锈钢弹性模量E1=180GPa,碳钢弹性模量E2=206GPa,泊松比μ=0.29。1/2车体有限元模型如图1所示。表2车体所用材料结构及其性能图11/2车体有限元模型2.1载荷工况的确定为考察地铁车体的强度和刚度,根据车辆在使用过程中的实际情况,参照标准EN12663:2000《铁路应用—铁路车辆车体结构要求》来确定各计算载荷和工况。工况1:整备状态下的垂直静载工况(AW0)；工况2:垂向定员工况(AW2)；工况3:最大运转载荷工况(AW3)；工况4:垂向定员工况(AW2)+800kN纵向压缩载荷；工况5:垂向定员工况(A
8、W2)+640kN纵向拉伸载荷；工况6:垂向最大运转工况载荷(AW3)+800kN纵向压缩载荷；工况7:一端提升工况；工况8:两端提升工况。2.2计算结果分析7工况1至3主要考察车体结构的总体刚度以及在垂直过载下的力学行为。此3种工况下车体变形趋势相同,在最大运转载荷工况下,
