地铁车辆司机室骨架结构准静态分析与试验

陈太晓 周立刚 张建伟

摘要：文章主要是以外国某型地铁车辆为这次的研究对象，然后对地铁车辆中的司机室骨架的结构进行了设计和评估验证，望可以为有关人员提供到一定的参考和帮助。

关键词：地铁车辆;司机室骨架结构;防撞柱

当前我国经济水平的不断发展，同时也推动了城市化的发展进程。城市人口的增加导致城市交通压力的增加，地铁的运用能够有效缓解到城市交通的压力，方便人们的出行，但其一旦发生造成的伤亡十分严重。

1.司机室端部骨架设计方案比选

1.1司机室端部骨架结构设计方案

车体端部司机室骨架的设计主要遵照美国标准ASMERT-22014中对车体设计的要求进行。其中对端部吸能区设计方案的评估是通过对端部承力结构的准静态压缩工况完成。该工况要求对整车钢结构（不包括附属部件）持续施加一个纵向载荷，载荷位置为任一防撞柱根部以上457mm处，直至防撞柱出现塑性屈曲。该工况的主要评判准则有：1）所施加的纵向加载刚卸载时，防撞柱中间高度位置处的纵向位移必须超过防撞柱自身纵向长度的1/3;2）防撞柱所受到的屈曲载荷必须大于弹性设计载荷;3）所施加的纵向载荷完全卸载后，防撞柱的根部以及顶部与车体端部的连接关系没有明显的分离。根据以上评估准则，可以得出车体端部结构的主要设计思路为：1）端部结构必须保证一定的强度，使其临界屈曲载荷大于弹性设计载荷，防撞柱与其他结构连接处要避免应力集中;2）端部结构必须保证一定的柔度，使其在塑性屈曲后，变形能达到评价指标的要求;3）防撞柱结构的刚度设计应当在垂向方向存在分布梯度，上下端部的刚度应大于中间部位，有利于中间部位发生塑形变形。基于以上基本设计思路，本文提出3种车体端部结构的设计方案。其中，方案1防撞柱整体刚度为均匀分布，在加载位置处采用雙横梁结构加强其底部抗弯刚度;方案2中防撞柱整体刚度呈3段式分布;方案3中防撞柱整体刚度呈4段式分布。

1.2基于有限元分析的方案比选

对以上3种结构设计方案进行有限元模型的建立。由于防撞柱准静态压缩以局部变形为主，为遴选合理的设计方案，有限元建模只选取前1/3车体结构。由于车体结构较为复杂，且主要变形发生在车体端部，采用统一网格大小无法同时兼顾计算效率与结果精度。因此在实际有限元模型中，车体端部变形集中区域的网格大小为2mm，其余横梁，边梁等连接结构网格大小逐渐过渡至5mm，端部以后结构网格尺寸基本为10mm。为了表征材料屈服后的塑形硬化行为，选用双线性材料模型进行模拟。

2.整车准静态试验验证

2.1试验布置与测试方法

该试验通过将1节地铁车辆车体钢结构放置于弹塑性试验台上，由2个带测力传感器的垂向支撑装置模拟转向架将车体支撑在标准轨道上。纵向方向上，一端由固定于刚性墙上的约束装置支撑，另一端通过弹塑性加载装置进行加载。为了防护由偏心载荷而引起的车体转动或横向运动，在车体两侧分别设置4个横向止挡装置，其中最靠近加载端的横向止挡附带安装测力传感器，用以测试横向约束力。各测力传感器的编号为LC01～LC10。为了详细描述防撞柱主要压溃位置的变形量，对其各个高度位置的位移量进行测试。

2.2试验结果

车体局部结构有小的二次变形。碰撞柱或其与车身的连接没有明显的断裂。周围连接部件的变形也很小，没有断裂的迹象。对碰撞柱准静态试验进行评估，最关键的数据来源是位移和力的测量。位移计测试数据显示在纵向载荷刚刚卸载时，碰撞柱中间高度位置（LVDT4）的位移值为195mm，远大于评估标准要求的72mm。通过安装在加载装置上的测力传感器获得加载力的测试值，在刚性墙约束端也有3个测力传感器，将其数据相加可以得到约束端的支反力。总体上，加载端的载荷与约束端的反作用力相当吻合。然而，随着位移量的增加，加载力比支反力高出约50kN（总共约800kN）。所测得的加载力与支反力产生差异的主要原因是碰撞柱变形时所产生垂向力作用的结果。

3.数据对比分析

为了验证有限元建模方法的准确性和有效性，为后续的分析研究提供基础，按前文所述方法对整车准静态试验工况进行建模并计算，将有限元结果与试验数据进行对比分析。总体上，防撞柱的整体变形模式和局部屈曲行为非常相似。有限元计算和试验结果的响应规律十分相似，但计算结果的位移值略大于试验测试的数据。仿真计算得到的力−位移曲线与试验测得的力−位移曲线的比较。对比结果表明，仿真结果与测试结果有较好的一致性，但有限元计算的结果比实际试验中得到的响应要强烈一些。这主要是由3方面的原因造成的：1）端部底架结构也是有较大变形的，在仿真中这部分结构的刚度模拟偏大，因而对压溃力的贡献要更大一些，所以计算结果中压溃力要稍大于试验结果;2）仿真计算采用显式动力学方式计算，为了提高计算速度，对于准静态的模拟采用了提高加载速度的方法，这不可避免地引入了一些动态效应，因此会使变形程度更大一些;3）试验测试中同样存在一些引入误差的可能，加载装置并不能保证绝对刚性，其微小的弹性形变会使位移测试结果变大，使得防撞柱的力−位移特性，即整体刚度减弱。

4.结束语

通过对试验工况进行有限元的仿真计算，同时分析了测试的数据，在分析过程中发现两者在整体规律上有着姣好的统一性，为后续的研究奠定良好的基础。

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