北京中车长客二七轨道装备有限公司 北京市 102433
摘要：本文根据GB/T 7928-2003《地铁车辆通用技术条件》和BS EN 12663-1：2010《铁道应用 轨道车身的结构要求》以及“轨道交通工程电动客车招标项目（用户需求书）”的要求，通过对不锈钢车体中的端墙、侧墙、车顶和底架等部位的结构分析，提出了各部位车体轻量化设计的思路。在轻量化设计后，通过有限元分析，对各种工况下车体各部位出现的应力集中问题提出了结构优化方案。
关键词：不锈钢车体；车体结构设计；有限元分析
前言：现阶段城市轨道交通建设蓬勃开展，地铁因具有运量大、正点率高、交通干扰少和速度快等优点，成为各地区城市轨道交通建设的代表。经调查研究发现，在地铁车体结构设计期间，如减少车体重量的10%，即可有效减少车辆运行能耗，显著提高经济效益。所以需要通过开展车体轻量化研究，最终提升轨道客车企业产品的竞争力。
1.车体结构设计与分析
1.1车体的整体结构
本文所介绍的轻量化不锈钢车体主要采用了薄壁筒形结构（见图1），整体强度水平满足EN 12663标准的相关内容，纵向能够承受超过790KN的压缩荷载，30年的设计寿命，满足了大部分地区的地铁运行需求。该车体主要包括侧墙、车顶、端墙与底架等几个关键部位，其中端墙、侧墙、车顶与底架等关键部位在外侧采用了电阻焊方法，而内侧则通过熔化极气体保护焊进行焊接，这种方法可以进一步简化了各个零部之间的焊接结构，让车体线条更加流畅。因塞焊的焊接强度不高，司机室骨架与端墙的钢结构的连接采用环塞角焊缝的焊接连接方式，并落在底架上用熔化极气体保护焊进行焊接，承载结构为框架式，保证了整个车体的强度，实现了轻量化设计。
在“图1”所介绍的车体结构中，对车体结构进行轻量化设计的主要思路包括：（1）在保证连接强度与刚度的前提下，对各个部位的连接件进行优化减重设计，根据实际情况设计塞焊孔，相比其它焊接方式，形状为圆形或腰形的塞焊孔既有连接作用，也起到减重孔的作用。（2）在保证各部位承载刚度的前提下，降低板厚最有利于减重，合理的结构设计则会改善因板厚的变薄而造成的刚度不足。承力梁的零件结构设计一般采用乙形梁、帽形梁及凹型梁（见图2），在空间与条件允许的前提下，要采用结构刚度更好的板厚为2mm的帽形梁。其它传力的位置可采用“图2”所示的凹型梁，厚度可降低到0.8mm及1.0mm，两端带冲压设计的凹型梁更利于结构上的拼接与传力，凹型梁拼接设计见“图3”所示，其中凹型梁与帽形梁通过电阻点焊的方式进行焊接。（3）纵梁与横梁通过电阻点焊插接而成，不再需要额外的补强板连接，从而简化了焊接工序，大幅降低了各部位重量。（4）在端墙、侧墙等结构设计中，进一步提升高强度不锈钢的材料占比，承重梁的重量得以降低。
图 1 车体三维模型
图 2 乙型梁、帽型梁与凹型梁
图 3 横梁与纵梁的插接点焊结构
1.2端墙与侧墙设计
车顶与车顶设备是通过端墙和侧墙共同支撑，端墙和侧墙的骨架则使用了横梁与纵梁的插接点焊结构（见图4），骨架外面分别附上1.5mm和2mm的外墙板电阻点焊而成。采用整体承载结构的门框使该部位大幅减少补强板，减重的同时刚度更好，在门角和窗角焊接补强块或补强板能有效避免应力集中。
图 4 侧墙及其门框与端墙骨架
1.3车顶设计
地铁车顶结构主要涵盖了空调补强顶板、车顶骨架和波纹顶板等部位（见图5）。从整个车辆结构来看，空调安装在补强顶板上，补强顶板为拱形且搭接在弯梁组成上方，弯梁组成由乙型梁和帽型梁构成，为避免侧墙门框上方的车顶弯梁应力过于集中，须优先选择帽型梁并适当在应力集中处增加补强结构。为避免车顶空调处后期因空调设备过重而导致的塌陷积水情况，车顶弯梁在折弯的基础上须进行补强加固[1]。
图 5 车顶的波纹顶板、空调补强顶板和骨架
1.4底架设计
底架由波纹地板、边梁组件、一位端端部组件、二位端端部组件、主横梁组件等共同组成（见图6）。其中，端部组件包括枕梁组成、牵引梁组成、地板梁、端梁等。因底架承载了上面其它部位的重量，且底架下方吊装了较多电气及制动设备，在设计减重孔、减少板厚的轻量化设计时应优先考虑底架强度。
图 6 底架的三维模型
2.基于有限元的分析与结构优化
对车体的三维模型进行设计并简化后[2]，通过有限元分析，在车体轻量化设计后，对各种工况下车体各部位出现的应力集中现象进行了分析与优化。
2.1 AW0拉伸工况
端墙的门槛处和车门框上方的车顶弯梁处常会在该工况下产生应力集中（见图7、图8），在车体的轻量化设计中，要保证该处的板厚分别为1.5mm与1mm，并通过设计补强板的方式消除该处过多的应力集中现象。端墙的门槛与门立柱的焊缝应大于20mm，且在门立柱与门槛处增加材质为1Cr13Ni1的补强块，满足了抗拉强度≥558Mpa，屈服强度≥435Mpa的机械性能要求。对于车门框上方的车顶弯梁，应使用帽型梁代替乙型梁，增加此处的刚度。在应力集中较低的位置，可设计6个20mm×55mm且圆角为5mm的减重孔（见图8），对于拥有50根车顶弯梁的Tc车，可减重2.7公斤。还可进行板厚减薄设计，将局部板厚降低到0.8mm。
图 7 端墙门槛的应力云图
图8 车顶弯梁的应力云图与减重孔示意
图9 底架枕梁与边梁焊缝处和牵引梁的应力云图
2.2 AW0车钩座压缩工况
底架的枕梁与边梁的焊缝处出现了应力集中现象（见图9），该处应增加三角形的补强板，增强刚性。牵引梁的补强板上出现了小部分的应力集中点，可在该补强板的边缘处焊接材质为S500MC的1mm厚度的板进行局部补强。
2.3 底架枕梁架车处
底架枕梁上的架车座的两处受力位置出现了应力集中现象（见图10），架车座的板厚为10mm，经计算分析后，将架车座的板厚调整为12mm，可在保证刚度的前提下，最大程度的实现架车座轻量化设计。
图10 底架枕梁处的架车座的应力云图
3.结论
对车体的关键部位进行轻量化设计后，并通过有限元计算校核，根据“应力云图”对应力集中的部位进行了结构优化和补强，并对处于应力较小区间的部位进行了减重设计，从而减少了车辆运行能耗，显著提高车辆运营的经济效益，最终提升了轨道客车企业地铁产品的竞争力。
参考文献：
[1]曹志浩.地铁铝合金车体轻量化设计与结构设计[J].数字通信世界，2019（02）：169.
[2]常天飞.基于有限元的模块化地铁轨道车车体结构设计[J].机电信息，2018（15）：123-126.
论文作者:胡永光
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/9
标签：车体论文; 底架论文; 应力论文; 车顶论文; 补强论文; 结构论文; 刚度论文; 《基层建设》2019年第18期论文;