城轨地铁头车车体结构静强度仿真与分析

王 松 龚 振 张寅河

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

随着我国社会经济的飞速发展和城市化进程的不断加快，交通拥堵成为各城市面临的共同问题，发达的城市轨道交通系统成为解决交通拥堵问题的必然选择。地铁车辆作为城市轨道交通工具，在城市正常运转中发挥着重要作用，并且其正呈现客户需求多样化、运营环境复杂化的发展趋势。地铁车辆的设计在兼顾客户个性化需求的同时，更应该充分考虑运营环境的要求，具有足够的结构强度，以确保车辆连续稳定安全运行。本文以某城轨地铁车辆头车车体为研究对象，验证设计强度与刚度。

1 铝合金地铁头车车体结构

铝合金城轨地铁头车车体采用全长大型中空铝合金挤压型材组焊成筒型整体承载结构。由底架、侧墙、车顶、端墙和司机室(仅头车有)大部件组成，如图1所示。其中底架作为车体的重要承载部件，主要由通长的地板、端部底架和中部横梁组成。侧墙(单侧)采用双层中空薄壁型材。车顶由中空挤压型材阻焊而成的通长弧顶结构。

图1 头车车体结构示意图

2 头车车体结构有限元计算

2.1 头车车体结构有限元模型

该头车车体结构本次分析采用HYPERWORKS有限元软件进行计算。采用20mm左右的SHELL单元离散车体结构，采用刚性杆单元施加冲击座载荷、空调系统载荷和车下吊挂设备载荷。车体模型包括200万个单元和180万个节点。图2显示车体有限元模型，其中X轴、Y轴和Z轴分别表示车体横向、垂向和纵向。

图2 头车车体有限元模型

2.2 头车车体载荷工况和边界条件

根据EN 12663:2010 铁道应用标准，对该地铁进行了9种工况仿真，这9种计算工况分别是：

计算工况1：超员工况；

计算工况2：最大运转载荷工况；

计算工况3：车体自重与1200kN纵向压缩载荷相结合的复合压缩工况；

计算工况4：超员工况与1200kN纵向压缩载荷相结合的复合压缩工况；

计算工况5：车身自重与960kN纵向拉伸载荷相结合的复合压缩工况；

计算工况6：超员工况与960kN纵向拉伸载荷相结合的复合压缩工况；

计算工况7：一端抬车工况；

计算工况8：两端抬车工况；

计算工况9：三点支撑工况。

3 头车车体结构仿真计算结果与分析

3.1 变形分析

3.2 应力分析

表1列出了该地铁头车车体主要零部件的应力结果，并与材料的屈服强度做了对比。

表1 车体主要零部件的最大vonMiss应力和屈服强度对比

从表1的对比结果可以看出，该地铁头车车体结构的应力都在屈服极限的范围内。

3.3 模态分析

为了准确研究车体刚度，计算车体结构模态。表2列出车体结构模态的计算结果。图3是整车模态图。

表2 车体模态计算结果

图3 整车模态图

从仿真结果可以得出，头车车体结构的一阶垂弯频率为18.2Hz，而在整备状态下一阶垂弯频率为10.6Hz，该数值与运营车辆模态基本一致，满足在设计要求中避开转向架的自振频率的要求。

4 结论

本文依据《EN12663:2010 铁道应用-轨道车身的结构要求》和城轨地铁的设计要求，通过对该地铁头车车体结构有限元分析得出以下结论：

(1)在最大垂向载荷作用下，车体底架边梁中部断面处垂直挠度为6.3mm，小于两转向架支撑点之间的距离的1‰，该头车车体刚度满足GB/T 7928-2003 地铁车辆通用技术条件的要求。

(2)该头车车体结构的各个部件的vonMiss应力均小于材料的屈服极限。

(3)该头车车体结构的一阶垂弯频率为18.2Hz，而在整备状态下一阶垂弯频率为10.6Hz，该数值与运营车辆模态基本一致，满足在设计要求中避开转向架的自振频率的要求。

综上所述，该地铁头车车体的刚度和静强度均满足设计需求。

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