有轨电车铝合金车体设计

王树才 林红

摘 要： 首先，介绍了有轨电车铝合金车体结构的设计思路、强度要求以及结构特点。然后，依据EN12663标准要求，利用有限元法对车体强度、刚度及模态进行了仿真计算。结果显示车体结构能够满足设计要求。

关键词：有轨电车；铝合金车体；结构设计；强度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.034

有轨电车是中车四方车辆有限公司自主研发的胶轮承载、钢轮导向式现代有轨电车，车体采用轻质铝合金材。借助ANSYS仿真软件，计算分析了垂向、拉伸、压缩等8种工况[1]，结果满足车体强度要求。

1 车体结构设计

1.1 概述

车体采用整体承载式全焊接结构。以大截面中空挤压型材为主，个别部件采用板梁结构。车体强度满足EN 12663-2010标准对于轻载有轨电车的结构要求：纵向压缩载荷为200kN，纵向拉伸载荷150kN。

1.2 车体结构及主要技术参数

车体由车顶、底架、侧墙和端墙组成，主要技术参数如下：

车体采用模块化设计。模块之间，如底架与侧墙、侧墙与车顶、端墙与车顶、端墙与侧墙，拼接接头采用搭接结构，确保车体具有较高的组装工艺性；同一模块内部型材与型材之间，则以插接接头为主，确保获得良好的焊接接头性能。

1.3 底架设计

底架由边梁、中部地板和端部地板组成，是整个车体的主要受力单元，不仅要承受垂向载荷，还要承受及传递车体的牵引力和制动力。采用大断面中空挤压型材组焊成型，共6种断面，11块型材。结构特点如下所述：

（1）中部地板包括3块型材，插接接头设计，上下面板采用不同厚度，充分满足底架强度及刚度的同时亦最大程度地做到减轻自重。（2）中部底部与边梁及端部地板均采用搭接接头，便于底架结构尺寸公差的控制。（3）门口设加强梁，弥补结构突变造成的刚度不匹配。

1.4 车顶设计

车顶由中顶板、侧顶板和边梁组成，是车辆主要设备件的承载基础，并可承受安装设备人员的质量。采用大断面中空挤压型材组焊成型，共4种断面，7块型材。结构特点如下所述：

（1）由3塊型材插接而成中顶板不承受车顶设备重量，采取了减重设计并采用弧断面，利于车顶排水并有益于车顶纵向刚度的提高。（2）中顶板与侧顶板、侧顶板与边梁分别插接后再搭接而成，既利于车顶设备对侧顶板和边梁承载强度的要求，又便于调整车顶总成的宽度。

1.5 侧墙设计

侧墙由一二位侧墙组成，两侧侧墙完全对称，且为适应现代有轨电车门窗布置密集、尺寸大的特点，侧墙采用门、窗立柱形式，结构简单，加工量小。门角、窗角等高应力区设大圆弧过渡的补强结构，避免应力集中。

1.6 端墙设计

端墙由端立柱、风挡立柱、端顶横梁及端墙板组成，结构特点如下：

（1）端墙立柱及风挡立柱采用矩形截面梁，为型材一次挤压成型，力学性能稳定。（2）端门上角采用大圆角过渡，避免应力集中。（3）端墙与车顶在顶部齐平，车顶两侧的积水可在车端顺畅排出。

2 车体静强度计算

根据EN 12663-2010，利用ANSYS仿真分析软件，对车体进行了8个工况的计算。结果表明，所有工况下计算应力均小于材料的屈服强度，满足设计要求。

3 车体刚度计算

依据标准[2]要求，在最大垂向载荷作用下车体静挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1‰。车体两支撑点之间的距离为7000mm，在表1计算工况1下，车体边梁最大垂向位移小于7mm，车体刚度满足设计要求。

4 模态分析

车体模态是评价列车运行安全性及舒适性的一个重要指标。在列车运行过程中，若车体模态与转向架的固有频率相差不多，则有可能引起车体的共振，振动的加剧将引起轮轨间作用力的加剧，轻则影响车辆的舒适性，严重时会危及车辆的行车安全。

表2为整备状态下铝合金车体的一阶垂弯和一阶扭转。结果显示，满足车辆设计要求。

5 结束语

有轨电车车体采用轻质铝合金材质，是基于车体轻量化设计的思路。车体结构除了要具有良好的组装工艺性外，还应具有足够的强度和刚度。经仿真分析计算，车体结构能够满足设计要求。

参考文献：

[1]英国标准学会（GB-BSI）.铁道应用-轨道交通车辆车体结构要求：EN 12663-1：2010[S].

[2]中国标准化管理委员会.地铁车辆通用技术条件：GB/T 7928-2003[S].北京：中国标准出版社，2004：4.