鋁合金地鐵車體靜強度和模態(tài)范文
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摘要：以某城軌鋁合金地鐵為研究對象，根據(jù)鋁合金地鐵車體結(jié)構(gòu)特點，簡化該車體幾何模型，建立相應的有限元模型。基于車體靜強度計算標準，確定9種車體結(jié)構(gòu)靜強度的計算工況，在這些計算工況作用下，計算車體結(jié)構(gòu)的靜強度。計算在最大垂直載荷作用下車體結(jié)構(gòu)剛度，以及車體結(jié)構(gòu)模態(tài)與整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)模態(tài)。計算結(jié)果表明該鋁合金地鐵車體結(jié)構(gòu)的剛度、靜強度和模態(tài)均滿足車體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：鋁合金車體；有限元；靜強度；模態(tài)
0引言
隨著城市的快速發(fā)展，地鐵作為各大城市的重要交通工具之一，研發(fā)水平在不斷地提高，在車體新材料和新工藝方面的研究也越來越多。鋁合金材料以密度小、密封性好和易于擠壓成型等優(yōu)點，越來越廣泛地應用于鋁合金地鐵車體。為確保車輛在工作狀態(tài)下安全可靠，車體結(jié)構(gòu)必須要有足夠的剛度和強度，滿足相關(guān)的技術(shù)標準。目前車體結(jié)構(gòu)的強度計算分析主要采用有限元法，為其結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化提供依據(jù)。
1車體結(jié)構(gòu)與有限元模型
本文以某城軌鋁合金地鐵中間車為研究對象，車體采用全長的大型中空鋁合金擠壓型材組焊成筒型整體承載結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由底架、車頂、側(cè)墻和端墻焊接而成。底架采用無中梁結(jié)構(gòu)，主要有牽引梁、枕梁、邊梁、橫梁和地板組成。車頂由5塊3種擠壓模塊用縱向焊縫拼焊、空調(diào)安裝平臺和受電弓安裝平臺等組成。側(cè)墻由4種擠壓模塊用縱向焊縫拼焊和門立柱等組成。端墻由端角柱、門口立柱、墻板、側(cè)頂彎梁和橫梁拼焊而成。該鋁合金地鐵車體的長度、高度和最大寬度分別為22880mm、2725mm和3000mm。在分析了鋁合金車體的結(jié)構(gòu)特點和材料的力學性能的基礎(chǔ)上，采用HYPERWORKS有限元軟件進行計算。采用SHELL單元離散車體結(jié)構(gòu)，車體模型包括196萬個單元和176萬個節(jié)點。
2計算工況和評定標準
依據(jù)《BSEN12663：2010鐵道應用－軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》，確定車體靜強度計算工況。此次分析主要包括9個計算工況：（1）計算工況1：空載工況；（2）計算工況2：最大運轉(zhuǎn)載荷工況；（3）計算工況3：空載壓縮工況；（4）計算工況4：空載拉伸工況；（5）計算工況5：超員壓縮工況；（6）計算工況6：超員拉伸工況；（7）計算工況7：兩端抬車工況；（8）計算工況8：一端抬車工況；（9）計算工況9：三點支撐工況。同時計算車體結(jié)構(gòu)模態(tài)和整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)模態(tài)。
3計算結(jié)果
3．1剛度計算結(jié)果
在計算工況2作用下，車體底架邊梁中央斷面處垂直撓度為12．2mm。根據(jù)GB／T7928－2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定，在最大垂直載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉(zhuǎn)向架支承點之間距離的1‰（15．7mm），即車體的撓跨比≤1‰。經(jīng)計算可知，車體的撓跨比為0．78‰，該車體的剛度滿足標準要求。
3．2靜強度計算結(jié)果
計算工況1和2主要校核在垂向載荷作用下車體結(jié)構(gòu)的靜強度情況，車體結(jié)構(gòu)的vonMises應力分布情況非常相似。由于計算工況2的垂向載荷比計算工況1的垂向載荷大，所以車體各個部位的vonMises應力值也較大。在計算工況2作用下，側(cè)墻中枕內(nèi)第一個門發(fā)生較大菱形變形，所以最大vonMises應力發(fā)生在側(cè)墻中枕內(nèi)第一個門的門上角，如圖1所示。側(cè)墻門上角的vonMises應力值為95．8MPa，該值小于門上角材料的屈服強度115MPa。計算工況3－6主要校核在垂向和縱向載荷共同作用下車體結(jié)構(gòu)的靜強度情況。在計算工況3作用下，車體底架的最大vonMises應力發(fā)生在車鉤安裝座補板，焊縫發(fā)生在邊梁緩沖梁連接處，如圖2所示。這是因為施加載荷通過補板將力傳遞到牽引梁，邊梁緩沖梁斷面不同，連接處結(jié)構(gòu)突變。車鉤安裝座補板的vonMises應力值為305．3MPa，小于補板材料的屈服強度335MPa；邊梁緩沖梁連接焊縫的vonMises應力值為106．2MPa，小于焊縫材料的屈服強度115MPa。在計算工況4－6作用下，車體底架的最大vonMises應力同樣發(fā)生在車鉤安裝座補板，焊縫的最大vonMises應力同樣發(fā)生在邊梁緩沖梁連接處。計算工況4的von－Mises應力值分別為244．9MPa、81．9MPa，如圖3所示。計算工況5的vonMises應力值分別304．8MPa、108．1MPa，如圖4所示。計算工況6的vonMises應力值分別為245．4MPa、80．1MPa，如圖5所示。以上應力值均小于材料的屈服強度335MPa、115MPa。
3．3模態(tài)計算結(jié)果
模態(tài)分析中沒有考慮車體結(jié)構(gòu)的位移約束，表1列出了車體結(jié)構(gòu)的主要固有頻率。從表1可以看出整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)的整車一階彎曲固有頻率大于10Hz，符合設(shè)計規(guī)范要求。
4結(jié)束語
基于HYPERWORKS有限元分析方法，以鋁合金地鐵車體為研究對象，建立有限元模型，計算在各種工況作用下車體的剛度、靜強度和模態(tài)，得出該鋁合金地鐵車體結(jié)構(gòu)的剛度、靜強度和模態(tài)均滿足相關(guān)要求，為以后的車體有限元分析和設(shè)計提供參考。
參考文獻
［1］GB／T7928－2003地鐵車輛通用技術(shù)條件［S］．2003．［2］BSEN12663：2010鐵路應用－鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求［S］．2010．
［3］雷成，肖守訥．地鐵鋁合金車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度分析［J］．機車電傳動，2006，（01）：55－56．
［4］周建樂，王軍．地鐵車輛鋁合金車體的設(shè)計［J］．城市軌道交通研究，2000，（2）：53－56．
作者：聶雙雙；張寅河 單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司