摘要：随着城市化进程的不断加快，地铁轨道交通工程在我国各地大量兴建，不锈钢地铁车体也得到广泛应用。基于此，本文将简单介绍不锈钢地铁车体结构设计要点，并深入探讨不锈钢地铁车体典型化结构设计，希望研究社交的模块化设计理念能够为相关从业人员带来一定启发。
关键词：地铁车体结构；不锈钢；模块化
前言：由于具备外观质感、耐腐蚀、强度高等优点，不锈钢材料较为适合作为地铁车体结构材料，轻量化不锈钢车辆的研制成功也使得不锈钢材料在我国地铁车体领域的应用日渐广泛化。但结合实际调研可以发现，现阶段广泛应用的奥氏体不锈钢（如SUS301L系列）材料多存在焊接变形难以控制、导热率低、热膨胀系数大等不足，为避免这类不足影响不锈钢地铁车体结构性能，正是本文围绕不锈钢地铁车体典型化结构设计开展具体研究的原因所在。
1.不锈钢地铁车体结构设计要点
1.1车体结构设计
在不锈钢地铁车体结构设计中，在不影响舒适性和安全性的前提下，需设法尽可能实现轻量化设计，不锈钢材料的高强度特性需得到充分应用。一般情况下，基于不锈钢地铁车体的不同部位，应针对性选定材料厚度，如车体侧墙和顶部外板的不锈钢材料厚度一般为1.0mm或1.5mm，连接板厚度一般为1.5mm或2.0mm，车体波纹板一般为0.6mm，侧墙骨架和车顶骨架一般为40mm，柱板多为1.0mm或1.2mm。为提高整体强度，多采用电阻电焊用于各部位连接，基于电弧电焊方式的底架结构连接可有效提高结构载荷能力，采用环焊工艺的边梁和横梁连接、点焊工艺的底架和侧墙连接也能够有效提升结构载荷。
1.2车体骨架设计
作为不锈钢地铁车体结构设计的关键环节，车体骨架设计必须得到重点关注，这是由于骨架属于支撑整个不锈钢车体的核心部位，因设计必须综合考虑各方面因素影响。不锈钢地铁车体的骨架由底架、侧墙、端墙、车顶组成，一般采用板梁结构的车体设计，为由此保证承载的稳定性，骨架的对称性和梁柱的断面形式需得到重点关注。为避免载荷无法转移的问题出现，应尽可能采用闭环结构开展车体的骨架设计。箱型结构的断面较为适用于梁柱结构，这是由于该设计可有效提升梁柱结构的抗横向载荷和扭曲能力，截面突变问题可由此得到有效预防。此外，车体骨架设计还需要关注其他设备的安装需要，为避让结构的开口处，梁柱间距离的调整、梁柱厚度与断面的改变同样需要得到重视，采用点焊方式的骨架和外板连接质量控制也将直接影响设计质量[1]。
1.3轻量化、高强度、抗疲劳
不锈钢地铁车体结构设计还需要关注轻量化、高强度、抗疲劳等基本原则，这类原则也是现阶段地铁车体设计的整体发展趋势。以轻量化为例，通过设计实现不锈钢地铁车体轻量化，即可有效降低地铁的运能消耗，提高车辆的加速度，地铁制动和牵引方面的消耗可得到有效控制，线路受到冲击和磨损也能够有效减轻，并能够在一定程度上提升地铁车体的载运能力。值得注意的是，轻量化、高强度、抗疲劳三者必须在不锈钢地铁车体结构设计中得到充分权衡，三者缺一不可，必须实现紧密派和，因此设计过程必须开展反复的分析和试验，以此设计出最为合理的不锈钢地铁车体结构。
2.不锈钢地铁车体典型化结构设计路径
2.1端部底架设计
采用整体铸造结构的车钩冲击座属于不锈钢地铁车体的常用端部底架设计，该设计通过两侧牵引梁与热拉铆铆钉连接冲击座，这种设计理念最早源于碳钢车设计，但由于需单独设置热拉铆设备，设计的制造工艺较为繁复。因此，本文建议采用钢板焊接结构取代原有的整体铸造冲击座，应力集中现象可由此得到较好预防。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆可采用有限元分析软件ANSYS围绕端部底架模型开展设计，加载可按照800kN进行，以此验证车钩冲击座与牵引梁连接处的应力水平，以及枕梁与牵引梁连接部位截面突变部位的应力集中情况，以此保证这类部位不存在材料超过屈服极限、焊缝区域超过许用应力值的情况出现。为保证疲劳性能，还需要围绕钢板焊接结构设计开展疲劳载荷的模拟计算，以此满足相关规范和具体使用对疲劳强度的要求。通过计算可确定，基于钢板焊接结构设计的端部底架结构在疲劳性能、刚度、强度等层面的表现均较为优秀，符合标准要求[2]。
2.2侧墙柱、梁连接点设计
点焊可较好用于不锈钢车体侧墙结构的梁、柱连接，同时覆盖高强度的连接板，连接节点处的强度即可实现进一步提升，这里的连接板需开点焊电极工艺孔，且需要保证工艺孔在电极准确通过的同时不将外侧墙板、柱、梁点焊在一起。但值得注意的是，由于连接板的装备制造往往会出现一定误差，点焊施工很容易因此出现工艺孔无法同时对准梁、柱接点，或点焊电极磕碰连接板的现象，焊点飞溅、压坏工件等问题往往会直接影响不锈钢地铁车体的使用性能。因此，本文建议在侧墙易应力集中部位和重点受力部位采用立体连接方式取代横梁与立柱的连接板连接，点焊电极与工艺孔的干涉问题可由此较好解决，且该设计能够承受更大的载荷。在非重点受力部位，则采用不需开设点焊工艺孔的十字型连接板。
2.3车顶结构设计
在传统的不锈钢地铁车体结构设计中，在两侧不锈钢车顶边梁上搭接不锈钢弯梁两端的设计较为常见，这类设计可形成桁架结构，由此铺设波纹板、设置用于设备安装的平顶，并交替排布高顶与平顶，配合端顶板连接，即可最终完成设计。但由于采用熔化焊接的高顶与平顶过渡连接不仅工艺较为复杂吗，还很容易因焊接变形导致应力集中区的出现，因此本文建议设计取消低顶结构，采用低圆顶结构，车体纵向通长的结构可大大简化车顶结构，并满足车顶设备安装限界需要，相关规范的要求需在设计中得到严格遵循。具体设计需通过有限元模拟分析整车有限元模型，以此明确车顶结构的强度，配合设备质量单元的加载，即可验证车顶设备区域的疲劳载荷和强度载荷情况验证，更好保证设计的科学性与合理性。
2.4接口模块化设计
不锈钢地铁车体结构设计存在多种接口连接形式，如吊卡、吊座等过渡连接形式多用于内装、设备等部位的接口，这与设计中板、梁结构的大量采用存在直接关联。因此，本文建议采接口模块化设计，以此取消侧墙部位原有的各种安装座，配合大量采用的拉铆防松铆螺母结构、C型滑槽布置（重点受力部位），侧墙的焊接变形量即可得到有效控制，侧墙外观平整度也将大幅提升。
2.5车下整体吊装结构设计
除上述设计外，车下整体吊装结构设计同样需要得到重视。在传统设计中，一般在横梁上铺设波纹板，横梁上主要用于车下设备的吊装并焊接制动吊卡，横梁中预穿线管，但这种设计存在横梁位置变动难度较高，排布凌乱的车下线管也会影响不锈钢地铁车体的使用性能。因此，本文建议采用刀把式变截面乙型梁结构的底架横梁结构，在经过补强的底架边梁上吊装设备，刀把梁的下方可用于后期直接附加线槽管，车下设备模块化吊装可由此实现。开展有限元模拟计算，可确定改进后的设计能够较好满足相关规范标准要求，设计的实用性可见一斑。
结论：综上所述，不锈钢地铁车体典型化结构设计需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的端部底架设计、侧墙柱与梁连接点设计、车顶结构设计、接口模块化设计、车下整体吊装结构设计等内容，则提供了可行性较高的不锈钢地铁车体结构设计路径。为更好提升设计水平，针对性开展的车体强度、刚度、模态校核同样需要得到重视。
参考文献：
[1]张寅河，李新康，赵思聪.自由形状优化技术在某不锈钢地铁车体设计中的应用[J].现代商贸工业，2019，40（11）：205-206.
[2]徐博雅.不锈钢地铁车辆车体结构设计的要点研究[J].黑龙江交通科技，2018，41（08）：204+206.
论文作者:郑旭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
标签：车体论文; 地铁论文; 不锈钢论文; 结构设计论文; 结构论文; 底架论文; 点焊论文; 《基层建设》2019年第17期论文;