楊瑞欣，黃潤(rùn)濤

（中車成都機(jī)車車輛有限公司，四川成都 610511）

1 引言

在城市軌道交通日趨發(fā)展的今天，高品質(zhì)、輕量化、高速度的車輛已成為主流趨勢(shì)，鋁合金以其重量輕、耐蝕性好和易于擠壓成形等特點(diǎn)成為當(dāng)前地鐵車身的理想材料[1]。作為地鐵的最重要承載結(jié)構(gòu)，在鋁合金車體的前期設(shè)計(jì)階段，通常須配合有限元仿真，對(duì)其相關(guān)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行各項(xiàng)分析，以校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但是，仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確度通常會(huì)受到計(jì)算設(shè)備硬件因素或模型網(wǎng)格劃分、各部件連接關(guān)系模擬方式等因素的影響，而產(chǎn)生一定偏差，同時(shí)，車體組焊工藝也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響[2]。

本文以某A型鋁合金地鐵車體為研究對(duì)象，基于有限元分析軟件HYPERMESH和ANSYS，建立其有限元模型，根據(jù)EN 12663-1-2010《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)[3]，選取5個(gè)較為典型的工況，對(duì)車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并將仿真計(jì)算結(jié)果與車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷有限元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，討論并分析誤差產(chǎn)生的原因。

2 車體結(jié)構(gòu)

某A型鋁合金地鐵車體采用大型中空薄壁擠壓鋁合金型材組焊而成，由車頂、側(cè)墻、底架、端墻以及司機(jī)室等大部件組成，如圖1所示。該車體通過兩端車下枕梁與轉(zhuǎn)向架連接，因其為整體承載式結(jié)構(gòu)，當(dāng)列車在運(yùn)行過程中受到各向載荷作用后，外力會(huì)通過焊接在一起的型材逐步傳遞到車體其余部位，最終使車體發(fā)生變形[4]。

圖1 車體三維幾何模型

該車體主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示，車頂板、側(cè)墻板、底架地板等結(jié)構(gòu)選用牌號(hào)為EN AW-6005A的鋁合金型材，枕梁、牽引梁、車鉤安裝座、門角等結(jié)構(gòu)選用牌號(hào)為EN AW-6082的鋁合金型材，其余結(jié)構(gòu)選用牌號(hào)為EN AW-5083的板材，其材料參數(shù)如表2所示，其中，各材料母材與焊縫熱影響區(qū)屈服極限的選取參照EN 1991-1-1-2007《鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)[5]執(zhí)行。

表1 車體主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

表2 車體主要材料參數(shù)

3 車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度有限元分析

3.1 有限元模型

本次仿真計(jì)算采用HYPERMESH軟件對(duì)圖1所示的車體三維幾何模型進(jìn)行抽取中面和劃分網(wǎng)格等處理，同時(shí)施加相應(yīng)的載荷約束，再用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行剛度以及靜強(qiáng)度分析。由于該車體為鋁板、梁、型材等組成的焊接結(jié)構(gòu)，其有限元模型以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，以三節(jié)點(diǎn)三角形單元為輔，平均單元邊長(zhǎng)為20 mm。采用RIGID單元模擬車體的焊縫，采用質(zhì)量單元MASS模擬車體的重要設(shè)備，并采用RBE單元吊裝在車體的相應(yīng)位置，其他設(shè)備以質(zhì)量單元的形式平鋪在地板面上[6]。該車體有限元模型共包含了1 772 397個(gè)單元和1 606 147個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 車體有限元模型圖

3.2 計(jì)算工況與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

為確保該地鐵車輛在架車、調(diào)車、起吊、救援、連掛等復(fù)雜工況下作業(yè)時(shí)，車體應(yīng)力不超過表2內(nèi)的材料許用應(yīng)力，本次仿真計(jì)算參照EN 12663-1-2010《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)[3]，選取垂向超員載荷（AW3）、車鉤區(qū)域1 200 kN壓縮載荷+ AW3、車鉤區(qū)域960 kN拉伸載荷+ AW3、整車抬車以及一位端三點(diǎn)支撐共5種典型工況來進(jìn)行車體靜強(qiáng)度分析，載荷施加情況如表3所示。

表3 各工況載荷施加情況

3.3 剛度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)[7]，該車體在垂向超員載荷工況下，底架邊梁中部的靜撓度不應(yīng)超過車輛定距的千分之一[8]，即15.7 mm。由圖3可知，該車底架邊梁中部變形位移計(jì)算結(jié)果為11.992 mm，因此可判斷其剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 垂向超員載荷工況底架邊梁變形圖（單位：mm）

3.4 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

采用ANSYS軟件對(duì)5種工況下車體的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如表4所示，各工況最大應(yīng)力云圖如圖4所示。由表4及圖4可知，各工況下車體各部位的最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，因此，可判斷該鋁合金車體的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。其中，側(cè)墻上下門角、一位端牽引梁、蓄電池箱懸掛點(diǎn)等結(jié)構(gòu)突變位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中，其局部應(yīng)力較大，安全系數(shù)較低。

表4 各工況靜強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果

圖4 各工況最大應(yīng)力云圖（單位：MPa）

4 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

該車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試方法采用電阻應(yīng)變片法，其測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量根據(jù)前期有限元計(jì)算結(jié)果、載荷工況測(cè)試規(guī)模以及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定，主要布置于側(cè)墻上下門角、側(cè)窗角、牽引梁、蓄電池箱懸掛位置等應(yīng)力集中點(diǎn)。為消除鋁合金車體的部分原有內(nèi)應(yīng)力，在其進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)之前，須進(jìn)行2次預(yù)加載，分段施加各向載荷，直至最大載荷。正式試驗(yàn)的主要步驟如下：①清零傳感器信號(hào)；②施加設(shè)備主要垂向載荷；③收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；④施加各工況縱向載荷；⑤收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；⑥停止施加各向載荷；⑦使傳感器信號(hào)歸零。車體載荷施加情況如圖5所示。

圖5 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

該車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表5所示，通過與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，兩者在數(shù)值上仍存在一定的偏差，最大偏差為24.2%，但均未超過材料的許用應(yīng)力且整體分布趨勢(shì)基本保持一致，說明該車體強(qiáng)度可滿足EN 12663-1-2010《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)[3]的要求，有限元分析對(duì)于車體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及薄弱點(diǎn)位置的分析具有較高的參考價(jià)值[9]。

表5 試驗(yàn)測(cè)試與仿真計(jì)算應(yīng)力值對(duì)比

5 仿真及試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)該A型鋁合金地鐵車體進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試可知，在5種典型工況下車體結(jié)構(gòu)性能均可滿足EN 12663-1-2010《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)[3]要求。車體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低的位置主要集中于側(cè)墻門角、一位端牽引梁、蓄電池箱懸掛點(diǎn)等結(jié)構(gòu)突變位置，其原因主要在于該鋁合金車體采用了大型中空型材組焊式結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的型材為主要承載部件，但由于車門、車窗、牽引梁等區(qū)域的橫截面不完整，有效承載面積較小，導(dǎo)致其截面慣性矩較小，抗彎能力減弱[10]。

該車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果在數(shù)值上存在一定的偏差，其主要原因可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）在建模階段，對(duì)網(wǎng)格劃分、車體結(jié)構(gòu)和載荷施加方式等的簡(jiǎn)化，特別是對(duì)邊界和復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域網(wǎng)格形式及尺寸的選取，造成一定的誤差；

（2）在車體生產(chǎn)過程中，由于組焊工藝缺陷、加工誤差等因素，造成車體尺寸誤差，使得應(yīng)變片貼片區(qū)域的定位與設(shè)計(jì)圖紙產(chǎn)生一定的誤差；

（3）車體焊接接頭的余高在有限元建模過程中無(wú)法被具體模擬，在采用電阻應(yīng)變片法進(jìn)行車體應(yīng)力測(cè)試時(shí)，其貼片位置的定位是以焊縫為基準(zhǔn)的，考慮到各部位焊縫的尺寸和形狀會(huì)受到制造過程中人為因素的影響而存在一定偏差，因此最終測(cè)試結(jié)果也會(huì)受到一定影響[9]。

6 結(jié)論

本文通過運(yùn)用1 : 1車體試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，分別選取車體垂向超員載荷、縱向壓縮載荷、縱向拉伸載荷、整車抬車以及一位端三點(diǎn)支撐共5種典型工況來對(duì)某A型鋁合金地鐵車體進(jìn)行強(qiáng)度分析，得出以下結(jié)論。

（1）該車體在各工況下的剛度和強(qiáng)度均滿足EN 12663-1-2010《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)[3]要求，車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（2）該車體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低的位置主要集中于側(cè)墻門角、一位端牽引梁、蓄電池箱懸掛點(diǎn)等局部應(yīng)力集中以及結(jié)構(gòu)突變的位置。

（3）該車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試值與仿真計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)值偏差最大為24.2%，說明有限元建模對(duì)地鐵車輛在復(fù)雜工況下結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分析具有較高的準(zhǔn)確性，但還應(yīng)對(duì)網(wǎng)格劃分、載荷約束施加方式等相關(guān)處理手段進(jìn)行優(yōu)化。