b型地铁轻量化不锈钢车体结构设计
B 型地铁轻量化不锈钢车体结构设计 罗宝 岳译新 刘永强 许晶晶 中车株洲电力机车有限公司产品研发中心 摘 要： 介绍了 B 型地铁轻量化不锈钢车体主要结构, 并通过有限元分析法对车体进行了静强度、模态计算分析。计算结果表明, 设计的车体强度、刚度能够满足相关标准和技术规格书要求。关键词： 不锈钢; 车体; 轻量化; 作者简介：罗宝, 2009 年毕业于东北大学机械电子工程专业, 工学硕士, 现从事城市轨道交通车辆车体研发工作。0 引言随着经济的发展, 地铁成为城市交通的主要运输工具, 节能减排越来越受到人们的重视, 根据研究表明, 如果减轻车体 10%重量, 则运行能耗可减少 6%。由此可见, 减轻车辆自重, 对车体进行轻量化设计, 会给生产厂家和社会带来巨大的经济效益。不锈钢车体的防火、耐高温性能均高于铝合金车体, 且无需涂装, 更加环保, 但是在重量方面, 不锈钢车体较铝合金车体要重 1 t 左右, 因此不锈钢车体轻量化设计变的越来越重要。1 车体结构设计1.1 车体总体车体结构采用 V 形薄壁筒形整体承载全焊接结构, 强度满足 EN 12663 标准, 纵向可承受 800 k N 的压缩载荷和 640 k N 的拉伸载荷, 设计寿命为 30 年。车体由底架、侧墙、顶盖、端墙和司机室结构五部分组成 (见图 1) 。侧墙与顶盖、底架在外侧采用电阻点焊连接, 内侧通过弧焊连接, 简化了部件间的连接结构。司机室结构与底架、侧墙和顶盖均进行了弧焊连接, 形成了框架承载结构, 改善了力流的传递路径, 提高了车体整体承载能力, 在实现一定轻量化的前提下, 提高了车体结构的整体强度和刚度。在头车前端设置防爬装置提高车辆被动安全性, 碰撞性能满足 EN 15227 标准要求。本文设计的一种 B 型地铁轻量化不锈钢车体, 主要从以下几个方面优化和减重: (1) 优化各部件间的连接方式、简化连接结构, 如减少碳钢边梁, 端部结构直接与底架边梁相连。 (2) 调整各部件梁的布置和板厚, 尤其是侧墙纵横梁采用阶梯板厚进行设计, 主要承力的梁采用 2 mm 板厚, 其他位置采用 1 mm 板厚。 (3) 纵横梁采用插接弧焊结构, 取消了连接板的形式, 提高了车体的整体刚度和强度, 减轻了车体重量, 大大减少了焊点数量, 提高了生产效率和外观质量。(4) 端部结构采用高强度不锈钢材料取代了碳钢材料, 减少了梁的板厚, 并且无需涂装, 减少了油漆成本, 更加节能环保。图 1 车体三维模型 下载原图1.2 顶盖顶盖结构主要由顶盖骨架、波纹顶板及空调平台等几部分组成 (见图 2) 。顶盖骨架由顶盖边梁、侧顶板以及顶盖弯梁等组焊而成。空调平台为整体框架结构, 两侧搭接在侧顶板上, 两端与空调连接弯梁满焊连接, 空调安装平台设计为平台结构, 且下方的横梁设置为中间高、两侧低的整体折弯件, 避免焊接变形及后续运行过程中出现空调平台下塌而出现积水现象, 雨水和冷凝水直接流到雨檐排出, 排水通畅。1.3 侧墙侧墙设计为整体侧墙结构, 包括侧墙单元、整体门框以及门上长梁构成 (见图3) 。侧墙单元主要由侧墙骨架和侧墙蒙皮等组成。为提高车体的刚度, 侧墙骨架采用纵横梁插接结构, 门框采用整体门框承载结构。图 2 顶盖结构 下载原图图 3 整体侧墙结构 下载原图1.4 底架底架为无中梁结构, 主要由 I 端端部结构、波纹地板、II 端端部结构、底架骨架等部分组成 (图 4) 。底架骨架主要由底架边梁、端梁、底架横梁等组成。端部结构主要由牵引梁、缓冲梁、枕梁、端梁组成, 在车体底架前端设有碰撞变形区域, 并设有防爬器安装结构。图 4 底架结构图 下载原图1.5 司机室骨架及端墙司机室骨架由前端立柱及司机室顶部骨架组成。司机室顶部骨架提供安装座用来固定司机室通风单元及内饰顶板等部件。端墙结构由端墙骨架与端墙蒙皮点焊而成, 主要用来安装贯通道等部件。端墙骨架采用插接结构并弧焊连接, 可以提供足够的支撑力。2 仿真分析2.1 有限元模型将车体三维中面模型全部离散成有限元网格。点焊和塞焊则采用 BEAM188 单元进行模拟。整个车体离散后, 共计 736 714 个节点, 800 875 个单元, 其中壳单元 707 971 个, 点焊单元 24 578 个, 塞焊单元 432 个, 实体单元 5 777 个, 刚性单元 2 个, RBE3 单元 17 个, 质量单元 62 100 个 (其中包括挂载设备和内装质量) 。2.2 模态分析对优化后的车体进行模态分析, 分析结果表明:优化后车体整备状态一阶垂向弯曲振动频率为 8.31 Hz, 与国内外的地铁车辆基本一致, 不会与转向架频率相耦合而产生共振, 满足设计要求。2.3 静强度分析按照技术合同协议及相关技术标准, 车体设计载荷主要采取欧洲标准 EN 12663-2010:铁道应用-轨道车身的结构要求1及 GB/T 7928-2003:地铁车辆通用技术条件2。参照标准要求, 该车车体共计算了 22 个工况, 表 1 为几个典型工况下应力分析结果。表 1 典型工况应力分析结果 下载原表 通过表 1 分析表明:车体在各工况下最大 von_Mises 应力均小于相应材料的屈服强度, 并有较大的安全余量, 优化后的车体结构在强度和刚度方面满足设计标准和技术规格书的要求。3 结语根据模态和强度计算结果, 轻量化设计的车体结构强度和刚度均满足相关标准和技术规格书要求。车体结构重量轻, 外观美观, 且降低了生产成本, 提高了产品核心竞争力。参考文献1EN12663-2010, 铁道应用-轨道车身的结构要求S. 2GB/T7928-2003, 地铁车辆通用技术条件S.
