低地板车辆车体结构有限元分析

2013-07-13韦海菊王维胡基贵张德峰

铁路技术创新 2013年6期

关键词：架结构转向架车体

■ 韦海菊王维胡基贵张德峰

韦海菊：南车南京浦镇车辆有限公司动车设计部，工程师，江苏南京，210031

王维：南车南京浦镇车辆有限公司动车设计部，高级工程师，江苏南京，210031

胡基贵：南车南京浦镇车辆有限公司动车设计部，工程师，江苏南京，210031

张德峰：南车南京浦镇车辆有限公司动车设计部，工程师，江苏南京，210031

低地板轻轨车辆通常是指地板面距轨面高度小（一般为250～350 mm）的车辆[1]。轻轨交通为城市轨道交通的一个系统，其运输能力介于地铁与道路公共交通之间，作为解决城市交通问题的途径之一已被广泛接受[2]。轻轨车辆具有容量大、噪声小、乘坐舒适、无环境污染、节约能源、比较经济等特点，作为载运工具在轻轨交通中起着关键的作用[3]。为检验车体结构设计的合理性，确保强度满足相关标准要求，并为优化结构提供可靠依据，根据车体结构自身特点，建立车体结构有限元模型，对车体结构进行静强度仿真分析。

1 100%低地板车体结构特点

研究的低地板车辆为浮车型式，浮车是指车体下方没有转向架支撑，而是通过铰接装置“挂”在与其相邻的车体上的车体[4]。全车采用5模块编组，1车、5车为动车转向架模块，3车为拖车转向架模块，均采用短车体；2车、4车为浮车，也叫客室模块，采用长车体，其下部没有转向架支撑，靠铰接装置与临近两车体连接。

连接车体各模块间的铰接有3种形式：固定铰、上闭合铰和上开放铰。连接相连车体模块的下铰均采用相同结构设计的固定铰，固定铰限制3个方向的平动，但能绕3个方向转动，主要承受车体垂向力，并传递大部分纵向力和横向力。上铰主要有2种形式（见图1），连接SM2和BM3模块的上铰采用开放铰，其余均为闭合铰。闭合铰能绕Z轴旋转，主要传递纵向力和横向力，固定铰和闭合铰的联合使用限制了相邻车体模块间的浮沉运动和侧滚运动，使相邻车辆仅存在相对摇头的自由度。开放铰释放相邻车体模块间的垂向、纵向平动自由度和3个方向的转动自由度，仅部分限制车辆横向平动，便于通过小曲线。开放铰主要承受横向力，用于限制相邻车体模块间的侧滚运动，并能保证整列车顺利通过上下坡道[5]。

车体模块由底架、侧墙、车顶、端墙组成，主要承载结构中，除了枕梁和固定铰为铸件，大部分承载件由耐候钢构件焊接而成，除车顶波纹板与车顶边梁和横梁的焊接形式为点焊外，其余焊接形式为弧焊。司机室为独立司机室，采用螺栓与BM1和BM5实现连接。车体承载构件材料分布及其机械性能见表1。

2 有限元模型

2.1 定义坐标系

根据EN 12663[6]的规定，使用全局坐标系标定方向（坐标系见图2）：X轴的正向（对应车辆纵向轴向）是运动方向；Y轴（对应车辆横向轴向）在水平面内；Z轴（对应于车辆垂向轴向）正向向上。

图1 车辆编组形式

表1 材料分布及其机械性能

图2 全局坐标系

全局坐标系原点定义：X=0为模块中间位置；Y=0为轨道相对于车体的中心线；Z=0为轨面。

2.2 建立模型

车体结构（铸件除外）采用SHELL单元模拟，铸件用SOLID单元模拟，考虑到SHELL单元和SOLID单元相连时存在自由度不匹配，将SHELL单元的其中一排嵌入SOLID单元中。对于大设备，用SHELL单元和MASS单元共同模拟，MASS单元位于设备重心位置，并用RBE3单元连接到模拟设备三维尺寸的SHELL单元上。乘客质量用MASS单元模拟，并用RBE3单元将载荷传递到地板结构上。单模块车体有限元模型见图3。

采用整列车装配有限元模型进行仿真分析，有限元模型见图4，包含1 471 789个节点，1 898 146个单元。该方法的关键点和难点在于铰接之间的连接及其自由度匹配，以及转向架结构的模拟及其与车体的连接，决定了分析结果的准确性和有效性。因此，进行有限元建模前必须了解每个部件（如垂向减振器、横向止挡、抗侧滚扭杆、摇头止挡等）的受力特点，以此选择合适的单元类型进行模拟。

根据不同类型铰接结构的承载特性，采用不同方式进行模拟。对于固定铰和上闭合铰，利用具有6自由度的CBUSH单元进行模拟，并用RBE3单元将其连接到铰接结构的载荷作用面上，局部有限元模型见图5、图6。对于上开放铰，采用CROD单元设置与实际结构相当的截面进行模拟，并用RBE3单元连接到上闭合铰安装面上，局部有限元模型见图7。

对于转向架结构，采用简化的模型进行模拟（见图8），利用CBEAM单元模拟转向架构架和轮对，并设置较大的材料弹性模量以与实际结构刚度进行匹配。一二系弹簧、摇头止挡和横向止挡均采用CBUSH单元模拟，牵引杆用CROD单元模拟；抗侧滚扭杆采用CBEAM单元和CBUSH单元共同模拟。由于摇头止挡只承受X方向的压力载荷，因此，必须在摇头止挡和其安装面间设置接触才能准确模拟其受力特性。

3 确定载荷工况

根据标准EN 12633和VDV 152[7]确定车体静强度考核工况（见表2）。表3、表4为表2衍生的组合工况。

4 计算结果分析

按照第三强度理论，即当量应力，对计算结果进行评定，此应力不得超过许用应力。当量应力的计算公式为：

式中：σe为当量应力，MPa；σi为主应力，MPa；SQRT表示对表达式开平方根。

对于许用应力安全系数的选择，EN 12663规定：对通过试验验证的工况，安全系数可以取1.0，不通过试验验证的工况，安全系数取1.15。因此，工况S1.1—S3.2安全系数取1.0，其他工况取1.15。

图3 BM1模块有限元模型

图4 整列车有限元模型

图5 固定铰模型

图6 上闭合铰模型

图7 上开放铰模型

图8 转向架简化模型

表2 基本静态工况

表3 由S4.1形成的组合工况

表4 由S4.2形成的组合工况

各计算工况下，受力较大的部位均出现在底架结构，特别是转向架模块的底架结构，存在局部应力集中的部位个别节点当量应力有超出材料屈服强度的情况，根据EN 12663第3.4.2节规定，“对于应力集中部位，如果塑性变形足够小，卸载后不发生明显的永久变形，则该部位的应力大于材料的屈服强度是允许的”。

工况S1.1—S2.2为同一类型载荷，车体主要承受纵向和垂向载荷。车体结构在该类型工况下的应力分布总体较均匀，载荷传递顺畅，纵向载荷主要通过底架结构中间纵向梁传递。转向架模块高应力区主要集中在纵向载荷加载区域（如防爬器安装面和车钩安装面）、司机室结构与底架端梁的螺栓连接区域、固定铰附件及腹板拐角处，这些部位是在结构设计时需要重点关注及局部加强的区域。

在S2.1工况下，BM1、BM3和BM5模块的应力分布具有相似性，且应力等级相差不大。以BM1模块为例，由于加载区域应力集中的原因，最大应力出现在防爬器安装面上；底架腹板拐角个别点有应力集中，其他部位应力均低于材料屈服强度；侧墙、车顶和端墙结构的应力均远低于材料的屈服强度。SM2和SM4模块的应力分布具有相似性，高应力区域主要出现在端部横梁盖板上及门角等部位，车顶和端墙结构的应力则远低于材料的屈服强度。S2.1工况下各模块应力分布见表5。

根据EN 12663-1：2010附件A要点a，局部应力集中若超过允许等级应采取特殊方式处理。最大应力等级应满足Neuber’s规则且在线性分析和韧性材料中不应超过以下值：

式中：σmax为所有工况中最大计算应力；σmin为所有工况中最小计算应力；R为材料的屈服强度；S为是安全系数。

表5 S2.1工况各模块应力分布

图9 S2.1工况下BM1司机室结构应力云图

图10 S2.1工况下BM1底架结构应力云图

图11 S2.1工况下BM1侧墙结构应力云图

图12 S2.1工况下SM2底架结构应力云图

图13 S2.1工况下SM2侧墙结构应力云图

即使所有计算工况下σmin=0，这两处的局部应力集中处最大应力σmax可达到700 MPa。

综合以上分析，这两处结构的局部应力大于材料屈服强度是允许并满足标准要求的。

工况S4.1.1—S4.1.4为同一类型工况，主要考核车辆在紧急制动、经过道口并在横风综合作用下车体结构的受力状态、大小及应力分布。在该类载荷作用下，高应力区主要分布在底架端头横梁、牵引杆安装座及连接牵引杆安装座、枕梁的横梁。

在S4.1.1工况下，BM1、BM3和BM5模块的应力分布具有相似性，且应力等级相差不大。以BM1模块为例，底架端部端头横梁盖板个别位置应力偏大，其他部位应力均低于材料屈服强度；侧墙、车顶和端墙结构的应力均远低于材料的屈服强度。SM2和SM4模块的应力分布具有相似性，高应力区域主要出现在底架端头横梁盖板及门角等部位，车顶和端墙结构的应力则远低于材料的屈服强度。S4.1.1工况下各模块应力分布见表6。

工况S4.2.1—S4.2.4为同一类型工况，主要考核车辆在常用制动、经过道岔及轨道超高情况下车体结构的受力状态、大小及应力分布。在该类载荷作用下，除了单个车体模块自身发生扭转外，相邻模块也发生一定角度的绕X轴的扭转角度，使得连接固定铰的端头横梁成为该类载荷作用下的高应力区，其他高应力区还分布在牵引杆安装座及连接牵引杆安装座和枕梁的横梁处。

表6 S4.1.1工况各模块应力分布

图14 S4.1.1工况下BM1底架结构应力云图一

图15 S4.1.1工况下BM1底架结构应力云图二

图16 S4.1.1工况下BM1侧墙结构应力云图

图17 S4.1.1工况下SM2底架结构应力云图

图18 S4.1.1工况下SM2侧墙结构应力云图

在S4.2.1工况下，BM1、BM3和BM5模块的应力分布具有相似性，且应力等级相差不大。以BM1模块为例，底架端部端头横梁盖板的圆弧处应力偏大，但应力均低于材料屈服强度；侧墙、车顶和端墙结构的应力均远低于材料的屈服强度。与BM1模块不同的是BM3模块枕梁加强板拐角处应力偏大。SM2和SM4模块的应力分布具有相似性，高应力区域主要出现在底架靠近固定铰的圆弧处及门角等部位，车顶和端墙结构的应力则远低于材料屈服强度。S4.2.1工况下各模块应力分布见表7。