APM车辆车体结构设计探讨

郑鹏博

摘 要：本文针对APM车辆的铝合金材料性质进行分析，分析车体的整体结构、特点以及技术参数，并利用有限元分析法对车体结构进行更加深入的研究，经研究后表示，APM车辆铝合金车体结构的钢度、强度以及疲劳性能均可以达到国家标准要求，同时也满足技术规范标准。

关键词：城轨车辆;有限元法;铝合金车体;疲劳

前言：APM被称作为全自动旅客捷运系统，该系统的优点为无可无人驾驶、转弯半径小、编组灵活、建设周期短以及运行噪声低等，一般情况下，APM车辆在各大城市中也越来越普及，比如商业园区、公园等，利用APM车辆可以有效弥补传统地铁车辆的不足之处，但均为进口车辆，而为了能够进一步节省成本，我已开始对该项目进行深入研发，并在上海市轨道交通中开始使用，预计在未来的发展阶段，我国国内将会有更多的城市采用此类型车辆。

1.车体结构

1.1车体参数分析

整个车辆中车体是非常关键和核心的构件，具体而言，其 必须要满足以下要求：第一是铝合金车体必须要由全焊接整体承载;第二，车体的具体强度必须要达EN12663规定的相关要求与规定;第三，APM车辆的高度为3400mm;（4）车体内部需达到安装外挂门和大窗户要求;（5）车体底价应与足三轴橡胶轮安装转向架需求保持一致[1]。

在生产制造APM车体过程中，采用的材料为铝合金与钢炭。安装，需采用铆接方式。这样一来就影响到了外观的美观性，而新型车体则由中空铝合金挤压型材和钢材组焊接而成，焊接后是整体性的承载结构，这样制作的车体美观度较高，而且强度也符合要求，具体为：压缩载荷：400kN，拉伸载荷：300kN。因为车辆能够单节运行，因此，车体两端都需要设计驾驶室，这也就表示，整个车体的结构由顶盖、底架、侧墙和司机室构成，其参数为：（①长度：12075mm;②宽度：2850mm;③高度：3400mm;④定距：6970mm;⑤车钩中心线距轨面高度：710mm;⑥车门间距：6875mm;⑦侧边车门数量：2个;⑧侧边窗户数量：3个）。

车辆的空调装置应安装在车顶的位置，每一辆车应配备两台空调，而后安装在车体的两端，形成[2]。

1.2侧墙

主题公园是APM车辆应用最为广泛的场所，而为了使乘客更好的观看风景，在进行车辆设计时，需要加大车窗和车门的尺寸，一般情况下，尺寸如下：两端小侧墙单元窗户尺寸设置为750mm×870mm、中间大侧墙单元窗户尺寸设置为1980mm×870mm、门洞尺寸设置为2200mm×1963mm。从整体侧墙结构来看，其共由2个大侧墙和4个小测量单元组成。其中侧墙单元，需通过对侧墙板与立柱等构件的焊接来保证作用可靠性。对于门柱，则采用整体折弯方式[3]。而侧墙板共由5块铝合金型材拼接起来。与此同时，还要在其铝型材内侧开口设置为长条形，以使其超长车内C型槽，而后在槽内安装座椅、墙板和扶手等。因为车门属于外挂型车门，所以侧墙板和车端立柱需要才采用插接方式连接。外挂门开门的止档为止档面;玻璃钢头罩胶粘的粘结面，能够作用于连接面。

1.3顶盖

APM车辆顶盖由圆弧顶盖、车顶边梁、空调机组等多个部件焊接形成。安装空调时，应安装在车体的两端，其与车体之间的高度相等，这样一来就能够美化车体外观，同时也可以保温、隔音。对于圆弧顶盖的主结构，需设计为爽殼矩形结构以为车辆整体的隔音与保温效果提供条件。顶盖边梁门角的加工，要以整体状态进行，这样才能在成型后能够发挥减少门角应力的目的。为了可以提高安装车门的便利性，使局部钢筋的厚度可以达到标准，应将C型槽安装在内侧，最后在车内对其他设备进行安装。

1.4底架

APM车辆的底架结构，需与安装单轴橡胶轮作用于转向架和外挂门的需求保持一致。，由于底架边梁，也是传递门体，所以应确保门体垂向刚度，设计时，需要充分考虑外挂门的安装和橡胶轮的运动空间与侧墙板、门立柱和长地板之间的连接关系，而后根据实际情况设计成为异形结构，这样一来就能够使边梁成功避开橡胶轮区域，而且也可以在外门下安装导轨，这样就能够满足外挂门的下导轨安装。除此之外，为了能够进一步加强底架边梁的刚度与强度，应该设置加强筋，如果对橡胶轮区域进行安装，需通过局部加工方式，来避免加强筋与橡胶轮间存在干涉问题。连接，也要采用插接方式来实现底架边梁与侧墙板的连接。而底架边梁与长地板则需要采用搭接的方式进行连接，这样一来就可以在后续调节车体宽度、尺寸和方向提供便利。转向架应使用单轴橡胶轮对，为了能够弥补传统地铁车辆的弊端和缺陷，在创新设计中，可以使用4根大断面铝合金挤压型材焊接转向架，对于直角连接处可以使用圆弧加强筋板过渡，从而减小应力[4]。

1.5司机室结构

对于司机室结构来说，为了提高安全性，设计应选用头罩造型。同时，还要考量安装与连接头灯的实际情况。具体过程，可将司机室立柱连接底架与顶盖，这样就能够分流低价所产生的力，从而减少载荷力，提高抗压强度[5]。

2.有限元分析

2.1计算静强度

根据相关管理部门制定的规范标准，需同时对正常与非正常两种工况，作用于不同载荷下的环境进行分析。具体如下：AW0+400KN压缩力、AW3+400KN压缩力、AW0+300KN拉伸力、AW3+300KN拉伸力、顶盖400cm2共承载2000N静压力、四点架车（带转向架，某一架车点垂向位移10mm）、吊车（带转向架）。

经过计算后，所有工况下，车体的计算应力均低于设计可允许应力，这也就说明，完全满足设计需求。

另外，值得注意的是，载超载AW3工况下，车体底架边梁的垂向变形量为5.9mm，能够与规范标准中要求的内容相符。这里的要求是指，最大垂直荷载作用下，车体静挠度未超过两点转向架支撑点距离1%。

2.2模态分析

在进行模态分析时，需要运用Block Lanczos算法，并保证车体处于整备状态下，完成六阶模态的计算。具体结果如下。1阶：整车侧偏频率8.43/Hz、2阶：整车垂向频率8.99/Hz、3阶：整车扭转频率12.09/Hz、4阶：顶盖垂向频率13.63/Hz、5阶：整车侧偏频率15.38/Hz、6阶：整车垂向频率16.32/Hz。

2.3疲劳分析

根据标准EN12663-1中的相关要求，使用疲劳极限法检验车体的疲劳强度，经过分析后，均满足疲劳强度设计要求。

结束语：综上所述，APM作为一种建设周期短、运用前景可观、可编程性强、具有低噪音、无人驾驶的全自动旅客捷运系统，目前在北京、广州珠海等地区得到运用，其改变了我国的轨道交通局面，通过创新研发该项技术，可以为多个区域的旅游经济建设做出贡献，考虑到其建设成本和经济性的问题，很多技术人员尝试自主创新研发，降低其造价成本。在本次研究中，根据APM车辆总体参数和相关部件接口要求，着手开展了铝合金车体的创新设计。通过分析侧墙、司机室结构、顶盖以及底架设计，发现均可满足车辆车体刚度、疲劳性能以及强度等设计需求。成功为我国APM车辆的日后发展奠定了基础，建议相关单位研究推广。

参考文献：

[1]王兴元，王良良，王嘉鑫，朱冬进，罗唐.地铁与自动旅客运输系统的车辆与站台水平间隙标准的对比及应用[J].城市轨道交通研究，2020，23（05）：72-75.

[2]刘聪灵，徐亚萍.胶轮路轨自动旅客捷运（APM）系统的轨道施工技术[J].建筑施工，2019，41（12）：2194-2197.

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