地铁铝合金车体静强度分析以及底架横梁尺寸优化

陶斯嘉 王玉艳 赵阔 王萌

摘 要：车体的静强度分析是分析车体性能不可或缺的一部分，静强度分析能够清晰的得出车体在各个工况下应力的分布情况。文章以某地铁铝合金中间车的底架为研究对象，利用HyperMesh软件建立了该车体结构的有限元模型。借鉴了国内外的地铁车辆技术标准确定了载荷工况，基于该铝合金中间车车体的结构特点，对车体的底架横梁部分进行尺寸优化，对优化之后的车体静强度以及刚度进行了计算和校验，计算结果均符合材料以及设计要求，在保证车体静强度和刚度符合条件的同时，改进了底架横梁的尺寸，减小了车体的质量，与原车体底架横梁质量相比减小了20.89kg。

关键词：铝合金；车体；静强度；尺寸优化

中图分类号：U270.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0015-02

Abstract： The static strength analysis of the car body is an indispensable part of the analysis of the car body performance. The static strength analysis can clearly get the distribution of the stress of the car body under various working conditions. In this paper， a finite element model of a subway aluminum alloy middle car is established by using HyperMesh software. Based on the structural characteristics of the aluminum alloy intermediate car body， the size optimization of the frame beam part of the car body is carried out based on the reference to the domestic and foreign subway vehicle technical standards. The static strength and stiffness of the optimized car body are calculated and calibrated. The calculated results meet the requirements of material and design. The size of the underframe beam is improved while the static strength and stiffness of the car body conform to the conditions. The weight of the car body is reduced by 20.89 kg， compared with the frame beam of the original car body.

Keywords： aluminum alloy； car body； static strength； dimension optimization

引言

地铁车是城市轨道交通装备的重要组成部分，高效便捷的轨道交通是缓解我国由于城市人口迅速增长而造成交通巨大压力的首选方案。铝合金车体具有重量轻，耐腐蚀，外观平整度好和易加工的优点，从而受到了广泛的应用。车体结构是车辆的载体，是整个车辆的基础，本文对铝合金地铁中间车建立了有限元模型，对车体进行了强度分析，并根据有限元计算的结果，对车体结构进行了优化。

1 车体结构的简介

本文研究的车体是某A型铝合金地铁车的中间车，该中间车车体采用全长的大型中空铝合金挤压型材组焊成筒型整体承载结构。车体由底架、车顶、侧墙以及端墙构成。车辆运行的最大速度为80km/h，车体的长度、最大宽度以及最大高度分别是22800mm、3000mm、3842mm。车辆的整备重量为21.2173t，车体的定员载客量为309人，超员载客量为440人，车体可以承受垂直、纵向、横向、扭转等载荷。

2 计算模型的建立

基于该铝合金车体的结构特点考虑，应用HyperMesh软件对该车体进行有限元模型的建立以及网格的划分，采用20mm左右的SHELL单元离散车体结构，车体的有限元模型一共包括了199万个单元和178万个节点。

3 车体的静强度分析

3.1 计算载荷以及工况设置

为了考察地铁车体的强度，根据车辆在使用过程中的实际情况。参照《EN12663：2010 铁道应用-轨道车身的结构要求》和《设计规划书》确定车体载荷、车体约束和计算工况。在所有的计算工况下，一共选择10种工况来进行计算：空载工况；定员工况；超员工况；最大運转载荷工况；垂向载荷加纵向压缩载荷工况；垂向载荷加纵向拉伸载荷工况；一端提升工况；两端提升工况；扭转工况；三点支撑工况。

选取所有计算工况中最具有代表性的工况来进行分析说明，依据分析的结果，最大运转载荷工况是最恶劣的工况，因此该工况也最具有代表性，以下都以该工况进行分析说明，在这种工况下，空调、AB箱、蓄电池箱及空压机的重量按照集中载荷施加于设备重心部位，而其他重量均布车体底架地板上表面。定员乘客重量均布于车体底架地板上表面，底架空气簧部位施加位移约束。

3.2 静强度计算与分析

通过对最大运转载荷工况的计算结果分析可知，在该工况下，底架横梁的最大垂向位移为16.12mm，整车的垂向位移为8.05mm。底架横梁的Vonmises应力为52.3MPa，远小于材料的屈服强度205MPa，可知车体底架横梁部分的材料有余量，并没有能够充分利用。因此对底架横梁的厚度进行尺寸优化，在保证能够满足材料屈服强度的条件下，减小横梁厚度的尺寸，从而减小车辆的重量，使材料能够充分地利用，尽可能地减少浪费，达到材料的利用最大化。

4 底架横梁结构的优化改进

选用最大运转载荷工况进行分析说明，在保证车辆安全的条件下减轻车体的自重。减轻车体底架横梁的重量，在保证车体静强度的同时，减小车体的自重。观察分析车体底架的横梁，对车体的底架横梁进行尺寸优化。

尺寸优化是一种细节优化设计方法，是设计人员在概念设计的基础上所进行的设计。它是通过改变结构单元的属性，例如壳单元的厚度、梁单元的横截面属性等。

在尺寸优化中，结构单元的属性，如壳单元的厚度、梁单元的横截面属性、弹簧单元的刚度和质量单元的质量等，可以定义为设计变量的函数。

对底架横梁进行尺寸优化，该横梁的结构由三部分焊接而成，选取这三部分作为设计变量，三个部分的初始尺寸分别为6mm、7mm、8mm。

优化的问题描述如下；选取车体底架横梁的厚度尺寸作为设计变量，变化范围为3mm至8mm，为了保证车体的强度在安全范围内，在该工况下将材料的屈服极限设为约束，以车体质量最小化为目标函数，对底架三个横梁的厚度尺寸进行优化。

计算结果显示，在该工况下，经过5步迭代计算，计算结果收敛，该迭代计算过程中尺寸变化的过程以及优化后的尺寸厚度结果如表1所示。

对计算结果进行核对和校验，将迭代后的结果替换原来的底架横梁尺寸厚度，在改进前，底架横梁所受的最大应力为79.7MPa，小于材料的屈服极限205MPa，满足材料的静强度要求。对结构进行优化后，底架横梁的最大垂向位移为16.88mm，与优化前相比，位移增加了0.76mm，与原结构相比增大了4.5%，位移变化并不明显，经过计算验证，局部的静强度以及刚度满足要求。下面验证改进尺寸后整车的静强度与刚度，对整车的静强度进行分析，无论何种工况下，车体的最大应力值均未超过材料的许用应力或屈服强度，静强度满足要求。改进后整车的最大垂向位移为8.06mm，与优化前结构相比位移增加了0.01mm，位移变化很小，经过验证，改进后的车体也满足其刚度要求。因此，改进后无论是底架横梁局部的的静强度和刚度还是整车的静强度以及刚度都符合要求。

5 结束语

本文对地铁铝合金车体进行有限元分析，初始计算结果表明在最大运转载荷工况下，中间车体底架横梁的Vonmises應力远小于该车体的屈服极限，表明该底架横梁部分材料还有余量，并没有能够充分利用。进而对底架横梁厚度进行尺寸优化，将原来的底架横梁的尺寸由8mm、7mm、6mm优化至3mm，对优化后的尺寸进行核对和校验，计算结果表明优化后的底架横梁应力分布均匀且小于该材料的屈服极限，车体的静强度以及刚度均符合要求，与改进前的底架横梁相比，改进后底架横梁的质量减少了20.89kg，减重比为58.4%，减重效果明显，达到了车体减重的目的。

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