B型不锈钢地铁车体结构设计及强度分析

王小杰++李辉光++梁炬星

摘 要：介绍了B型不锈钢地铁车体的结构特点和设计思路，并采用有限元软件建立结构计算模型，分析不同载荷工况条件下的屈曲、静强度及焊缝疲劳寿命，为车体结构设计提供依据。计算结果表明，该车体采用的板梁结构合理，满足车体的强度和稳定性要求，同时车体焊点与焊缝均满足疲劳寿命要求。

关键词：地铁 不锈钢 车体 有限元 强度分析

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0076-04

不锈钢地铁车辆具有耐腐蚀、免油漆、维护成本低、防火性能好等优点，在国内外城市轨道交通中得到了大量应用，现在也受到越来越多的地铁业主的青睐[1]。但是，由于不锈钢车体采用板梁结构，部件多，焊接复杂，同时不锈钢材料本身热传导率低、热膨胀系数高，导致焊接性能较差。本文对一种B型不锈钢车体的结构设计及强度进行分析介绍。

1 车体结构设计及主要技术参数

1.1 车体特点及主要技术参数

所设计的车体为B型不锈钢车体[2]，采用板梁组焊结构，由底架、侧墙、车顶、端墙四部分组成，车体的主要技术参数见表1，其断面形状为鼓形，侧墙上部内倾角5°，如图1所示。

1.2 车体结构设计

1.2.1 底架结构

底架结构主要由底架边梁、底架横梁、牵枕缓组成、波纹地板等部件组焊而成。重要受力部件牵枕缓由牵引梁和枕梁及缓冲梁组焊为模块。牵枕缓模块与辊弯的底架边梁对接组焊形成整体承载框架，底架横梁与边梁采用对接组焊。

1.2.2 侧墙结构

侧墙由侧墙板模块、侧门立柱、侧墙立柱、侧墙纵梁等焊接组成。侧墙由每个侧墙小模块组成，便于工艺调节。每个侧墙板模块由二块侧墙板利用激光焊接组焊后成型，激光焊接变形量小，利于保证侧墙的平面度。侧墙板模块通过点焊与侧墙纵梁及立柱连接。

1.2.3 车顶结构

车顶采用连续封闭的全焊接结构，包括圆顶模块、平顶模块和车顶边梁。圆顶模块由波纹板和弯梁组焊而成，平顶模块由钢板与横梁组焊而成，在安装空调机组部位保证其承载强度。平顶两侧边梁设置排水槽，水通过排水槽进入雨檐，通过雨檐的端部的排出。车顶总成时平顶、圆顶与车顶边梁整体组装后焊接密封。

1.2.4 端墙结构

端墙由端墙板、端立柱、端墙横梁等组焊而成。端墙板之间采用激光焊接的形式进行焊接，保证墙板的平面度。立柱、横梁通过点焊的形式与端墙板进行连接。

2 车体有限元模型及计算工况

2.1 车体有限元模型

为能够准确模拟车辆的受力状态，根据所设计的车体结构，建立了详细的整车结构计算模型。车体结构的薄板采用壳单元进行离散，焊缝以焊缝处节点重合的形式模拟，焊点以梁单元进行模拟。

2.2 计算工况[3]

根据EN12663-2010标准，采用NASTRAN软件对以下典型工况下的车体结构进行分析：

2.2.1 屈曲工况

AW0纵向压缩屈曲，车钩压缩力800 kN，垂向1倍重力加速度。

1.3倍AW3垂直过载屈曲，垂向1.3倍重力加速度。

2.2.2 静强度工况

AW0情况下车体纵向压缩，车钩压缩力800 kN。

AW0情况下车体纵向拉伸，车钩拉伸力640 kN。

AW3垂直过载工况。

2.2.3 疲劳工况

AW2车体垂向加速度（1±0.15） g。

AW2车体纵向加速度±0.15 g。

3 计算结果分析

3.1 屈曲工况分析

结构稳定性计算分析是考虑车体结构在AW0状态下车体承受纵向800 kN压缩力以及AW3垂直过载情况下车体结构产生弹性屈曲的临界载荷。

在纵向载荷作用下，车体的一阶屈曲载荷因子λ=3.069，为端梁处地板的失稳，如图1所示。在AW3垂直载荷作用下，车体的一阶屈曲载荷因子λ=3.488，如图2所示。

3.2 静强度工况

AW0纵向压缩工况下，整车最大应力为221.4 MPa，最大应力点位于底架牵引梁上，材料屈服强度为500 MPa，满足材料的许用应力，应力分布如图3所示。AW0纵向拉伸工况下，整车最大应力188.9 MPa，最大应力点位于底架牵引梁上，材料屈服强度为500 MPa，满足材料的许用应力，应力分布如图4所示。AW3垂直过载工况下，整车最大应力93.98 MPa，最大应力点位于侧墙立柱与底架边梁连接处，材料屈服强度为515 MPa，满足材料的许用应力，应力分布如图5所示。

3.3 疲劳工况分析

AW2车体垂向加速度（1±0.15）g工况下，车体焊点和焊缝的疲劳分析如图6和图7所示，AW2车体纵向加速度±0.15 g工况下，车体焊点和焊缝的疲劳分析如图8和图9所示，结果表明，在垂向加速度载荷作用下，车体焊接处的疲劳寿命最小为1.78e7，在纵向加速度载荷作用下，车体焊接处的疲劳寿命最小为7.6e6，焊点和焊缝均满足疲劳寿命要求。

4 结论

通过对不锈钢地铁车体结构在七个不同工况条件的有限元分析，可以得出以下结论：

（1）该不锈钢车体的结构强度和稳定性满足设计要求。

（2）车体焊点与焊缝均满足疲劳寿命要求。

（3）在AW0静态压缩和拉伸工况，车体最大应力点位于底架牵引梁上，在AW3垂直过载工况，车体最大应力点位于侧墙立柱与底架边梁连接处。

参考文献

[1] 李培，孙丽萍.地铁不锈钢车体强度分析及试验验证[J].内燃机车，2011（4）：17-19.

[2] GB/T 7928-2003地铁车辆通用技术条件[S].中华人民共和国铁道部，2003.

[3] EN12663-1：2010铁路应用-铁路车辆车体结构要求-第一部分：机车和客运车辆[S].英国标准协会，2010.endprint

摘 要：介绍了B型不锈钢地铁车体的结构特点和设计思路，并采用有限元软件建立结构计算模型，分析不同载荷工况条件下的屈曲、静强度及焊缝疲劳寿命，为车体结构设计提供依据。计算结果表明，该车体采用的板梁结构合理，满足车体的强度和稳定性要求，同时车体焊点与焊缝均满足疲劳寿命要求。

关键词：地铁 不锈钢 车体 有限元 强度分析

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0076-04

不锈钢地铁车辆具有耐腐蚀、免油漆、维护成本低、防火性能好等优点，在国内外城市轨道交通中得到了大量应用，现在也受到越来越多的地铁业主的青睐[1]。但是，由于不锈钢车体采用板梁结构，部件多，焊接复杂，同时不锈钢材料本身热传导率低、热膨胀系数高，导致焊接性能较差。本文对一种B型不锈钢车体的结构设计及强度进行分析介绍。

1 车体结构设计及主要技术参数

1.1 车体特点及主要技术参数

所设计的车体为B型不锈钢车体[2]，采用板梁组焊结构，由底架、侧墙、车顶、端墙四部分组成，车体的主要技术参数见表1，其断面形状为鼓形，侧墙上部内倾角5°，如图1所示。

1.2 车体结构设计

1.2.1 底架结构

底架结构主要由底架边梁、底架横梁、牵枕缓组成、波纹地板等部件组焊而成。重要受力部件牵枕缓由牵引梁和枕梁及缓冲梁组焊为模块。牵枕缓模块与辊弯的底架边梁对接组焊形成整体承载框架，底架横梁与边梁采用对接组焊。

1.2.2 侧墙结构

侧墙由侧墙板模块、侧门立柱、侧墙立柱、侧墙纵梁等焊接组成。侧墙由每个侧墙小模块组成，便于工艺调节。每个侧墙板模块由二块侧墙板利用激光焊接组焊后成型，激光焊接变形量小，利于保证侧墙的平面度。侧墙板模块通过点焊与侧墙纵梁及立柱连接。

1.2.3 车顶结构

车顶采用连续封闭的全焊接结构，包括圆顶模块、平顶模块和车顶边梁。圆顶模块由波纹板和弯梁组焊而成，平顶模块由钢板与横梁组焊而成，在安装空调机组部位保证其承载强度。平顶两侧边梁设置排水槽，水通过排水槽进入雨檐，通过雨檐的端部的排出。车顶总成时平顶、圆顶与车顶边梁整体组装后焊接密封。

1.2.4 端墙结构

端墙由端墙板、端立柱、端墙横梁等组焊而成。端墙板之间采用激光焊接的形式进行焊接，保证墙板的平面度。立柱、横梁通过点焊的形式与端墙板进行连接。

2 车体有限元模型及计算工况

2.1 车体有限元模型

为能够准确模拟车辆的受力状态，根据所设计的车体结构，建立了详细的整车结构计算模型。车体结构的薄板采用壳单元进行离散，焊缝以焊缝处节点重合的形式模拟，焊点以梁单元进行模拟。

2.2 计算工况[3]

根据EN12663-2010标准，采用NASTRAN软件对以下典型工况下的车体结构进行分析：

2.2.1 屈曲工况

AW0纵向压缩屈曲，车钩压缩力800 kN，垂向1倍重力加速度。

1.3倍AW3垂直过载屈曲，垂向1.3倍重力加速度。

2.2.2 静强度工况

AW0情况下车体纵向压缩，车钩压缩力800 kN。

AW0情况下车体纵向拉伸，车钩拉伸力640 kN。

AW3垂直过载工况。

2.2.3 疲劳工况

AW2车体垂向加速度（1±0.15） g。

AW2车体纵向加速度±0.15 g。

3 计算结果分析

3.1 屈曲工况分析

结构稳定性计算分析是考虑车体结构在AW0状态下车体承受纵向800 kN压缩力以及AW3垂直过载情况下车体结构产生弹性屈曲的临界载荷。

在纵向载荷作用下，车体的一阶屈曲载荷因子λ=3.069，为端梁处地板的失稳，如图1所示。在AW3垂直载荷作用下，车体的一阶屈曲载荷因子λ=3.488，如图2所示。

3.2 静强度工况

AW0纵向压缩工况下，整车最大应力为221.4 MPa，最大应力点位于底架牵引梁上，材料屈服强度为500 MPa，满足材料的许用应力，应力分布如图3所示。AW0纵向拉伸工况下，整车最大应力188.9 MPa，最大应力点位于底架牵引梁上，材料屈服强度为500 MPa，满足材料的许用应力，应力分布如图4所示。AW3垂直过载工况下，整车最大应力93.98 MPa，最大应力点位于侧墙立柱与底架边梁连接处，材料屈服强度为515 MPa，满足材料的许用应力，应力分布如图5所示。

3.3 疲劳工况分析

AW2车体垂向加速度（1±0.15）g工况下，车体焊点和焊缝的疲劳分析如图6和图7所示，AW2车体纵向加速度±0.15 g工况下，车体焊点和焊缝的疲劳分析如图8和图9所示，结果表明，在垂向加速度载荷作用下，车体焊接处的疲劳寿命最小为1.78e7，在纵向加速度载荷作用下，车体焊接处的疲劳寿命最小为7.6e6，焊点和焊缝均满足疲劳寿命要求。

4 结论

通过对不锈钢地铁车体结构在七个不同工况条件的有限元分析，可以得出以下结论：

（1）该不锈钢车体的结构强度和稳定性满足设计要求。

（2）车体焊点与焊缝均满足疲劳寿命要求。

（3）在AW0静态压缩和拉伸工况，车体最大应力点位于底架牵引梁上，在AW3垂直过载工况，车体最大应力点位于侧墙立柱与底架边梁连接处。

参考文献

[1] 李培，孙丽萍.地铁不锈钢车体强度分析及试验验证[J].内燃机车，2011（4）：17-19.

[2] GB/T 7928-2003地铁车辆通用技术条件[S].中华人民共和国铁道部，2003.

[3] EN12663-1：2010铁路应用-铁路车辆车体结构要求-第一部分：机车和客运车辆[S].英国标准协会，2010.endprint

摘 要：介绍了B型不锈钢地铁车体的结构特点和设计思路，并采用有限元软件建立结构计算模型，分析不同载荷工况条件下的屈曲、静强度及焊缝疲劳寿命，为车体结构设计提供依据。计算结果表明，该车体采用的板梁结构合理，满足车体的强度和稳定性要求，同时车体焊点与焊缝均满足疲劳寿命要求。

关键词：地铁 不锈钢 车体 有限元 强度分析

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0076-04

不锈钢地铁车辆具有耐腐蚀、免油漆、维护成本低、防火性能好等优点，在国内外城市轨道交通中得到了大量应用，现在也受到越来越多的地铁业主的青睐[1]。但是，由于不锈钢车体采用板梁结构，部件多，焊接复杂，同时不锈钢材料本身热传导率低、热膨胀系数高，导致焊接性能较差。本文对一种B型不锈钢车体的结构设计及强度进行分析介绍。

1 车体结构设计及主要技术参数

1.1 车体特点及主要技术参数

所设计的车体为B型不锈钢车体[2]，采用板梁组焊结构，由底架、侧墙、车顶、端墙四部分组成，车体的主要技术参数见表1，其断面形状为鼓形，侧墙上部内倾角5°，如图1所示。

1.2 车体结构设计

1.2.1 底架结构

底架结构主要由底架边梁、底架横梁、牵枕缓组成、波纹地板等部件组焊而成。重要受力部件牵枕缓由牵引梁和枕梁及缓冲梁组焊为模块。牵枕缓模块与辊弯的底架边梁对接组焊形成整体承载框架，底架横梁与边梁采用对接组焊。

1.2.2 侧墙结构

侧墙由侧墙板模块、侧门立柱、侧墙立柱、侧墙纵梁等焊接组成。侧墙由每个侧墙小模块组成，便于工艺调节。每个侧墙板模块由二块侧墙板利用激光焊接组焊后成型，激光焊接变形量小，利于保证侧墙的平面度。侧墙板模块通过点焊与侧墙纵梁及立柱连接。

1.2.3 车顶结构

车顶采用连续封闭的全焊接结构，包括圆顶模块、平顶模块和车顶边梁。圆顶模块由波纹板和弯梁组焊而成，平顶模块由钢板与横梁组焊而成，在安装空调机组部位保证其承载强度。平顶两侧边梁设置排水槽，水通过排水槽进入雨檐，通过雨檐的端部的排出。车顶总成时平顶、圆顶与车顶边梁整体组装后焊接密封。

1.2.4 端墙结构

端墙由端墙板、端立柱、端墙横梁等组焊而成。端墙板之间采用激光焊接的形式进行焊接，保证墙板的平面度。立柱、横梁通过点焊的形式与端墙板进行连接。

2 车体有限元模型及计算工况

2.1 车体有限元模型

为能够准确模拟车辆的受力状态，根据所设计的车体结构，建立了详细的整车结构计算模型。车体结构的薄板采用壳单元进行离散，焊缝以焊缝处节点重合的形式模拟，焊点以梁单元进行模拟。

2.2 计算工况[3]

根据EN12663-2010标准，采用NASTRAN软件对以下典型工况下的车体结构进行分析：

2.2.1 屈曲工况

AW0纵向压缩屈曲，车钩压缩力800 kN，垂向1倍重力加速度。

1.3倍AW3垂直过载屈曲，垂向1.3倍重力加速度。

2.2.2 静强度工况

AW0情况下车体纵向压缩，车钩压缩力800 kN。

AW0情况下车体纵向拉伸，车钩拉伸力640 kN。

AW3垂直过载工况。

2.2.3 疲劳工况

AW2车体垂向加速度（1±0.15） g。

AW2车体纵向加速度±0.15 g。

3 计算结果分析

3.1 屈曲工况分析

结构稳定性计算分析是考虑车体结构在AW0状态下车体承受纵向800 kN压缩力以及AW3垂直过载情况下车体结构产生弹性屈曲的临界载荷。

在纵向载荷作用下，车体的一阶屈曲载荷因子λ=3.069，为端梁处地板的失稳，如图1所示。在AW3垂直载荷作用下，车体的一阶屈曲载荷因子λ=3.488，如图2所示。

3.2 静强度工况

AW0纵向压缩工况下，整车最大应力为221.4 MPa，最大应力点位于底架牵引梁上，材料屈服强度为500 MPa，满足材料的许用应力，应力分布如图3所示。AW0纵向拉伸工况下，整车最大应力188.9 MPa，最大应力点位于底架牵引梁上，材料屈服强度为500 MPa，满足材料的许用应力，应力分布如图4所示。AW3垂直过载工况下，整车最大应力93.98 MPa，最大应力点位于侧墙立柱与底架边梁连接处，材料屈服强度为515 MPa，满足材料的许用应力，应力分布如图5所示。

3.3 疲劳工况分析

AW2车体垂向加速度（1±0.15）g工况下，车体焊点和焊缝的疲劳分析如图6和图7所示，AW2车体纵向加速度±0.15 g工况下，车体焊点和焊缝的疲劳分析如图8和图9所示，结果表明，在垂向加速度载荷作用下，车体焊接处的疲劳寿命最小为1.78e7，在纵向加速度载荷作用下，车体焊接处的疲劳寿命最小为7.6e6，焊点和焊缝均满足疲劳寿命要求。

4 结论

通过对不锈钢地铁车体结构在七个不同工况条件的有限元分析，可以得出以下结论：

（1）该不锈钢车体的结构强度和稳定性满足设计要求。

（2）车体焊点与焊缝均满足疲劳寿命要求。

（3）在AW0静态压缩和拉伸工况，车体最大应力点位于底架牵引梁上，在AW3垂直过载工况，车体最大应力点位于侧墙立柱与底架边梁连接处。

参考文献

[1] 李培，孙丽萍.地铁不锈钢车体强度分析及试验验证[J].内燃机车，2011（4）：17-19.

[2] GB/T 7928-2003地铁车辆通用技术条件[S].中华人民共和国铁道部，2003.

[3] EN12663-1：2010铁路应用-铁路车辆车体结构要求-第一部分：机车和客运车辆[S].英国标准协会，2010.endprint