李婭娜+張宇婷+韓肖

摘要：為優(yōu)化某地鐵中間車結(jié)構(gòu)，縮短設(shè)計(jì)周期，建立車體有限元分析模型；依據(jù)EN 12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算車體有限元模型在主要工況下的應(yīng)力分布，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析.大多數(shù)點(diǎn)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很接近，誤差大多數(shù)在10%以內(nèi)，表明計(jì)算建?？煽浚煌瑫r發(fā)現(xiàn)個別誤差較大點(diǎn)所在位置，分析誤差產(chǎn)生的原因.

關(guān)鍵詞：地鐵； 車體； 有限元； 應(yīng)力； 試驗(yàn)

中圖分類號： U270.33； TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：To optimize the structure of a subway middle car and shorten the design cycle， a finite element analysis model of car body is built. According to the standard EN 12663-2010， the stress distribution of the finite element model is calculated in the main cases， and the simulation result is compared with the test data. The simulation results of most of the points are very close to the test data and the most errors are within 10%. It shows that the model for calculation is reliable. At the same time， a few points with large error are located and the causes are analyzed.

Key words：subway； car body； finite element； stress； test

0 引 言

隨著城市人口的急速增長，地面車輛增加較快，交通擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重.地鐵車具有運(yùn)量大、速度快、運(yùn)營模式靈活以及節(jié)約地面空間等優(yōu)勢，對大城市交通的積極作用日益被人們所認(rèn)識.[1-4]隨著軌道車輛輕量化和高速化的需求及鋁型材加工技術(shù)的不斷提升，作為地鐵車的一種新思路，鋼鋁混合車以其集合鋁材料質(zhì)量輕和鋼材料強(qiáng)度高兩者的顯著優(yōu)點(diǎn)[5]，在世界各國城市交通和鐵道運(yùn)輸領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用.

有限元分析已被證明是一種經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計(jì)分析手段.[6]有限元分析的正確性和精確性依賴于分析全過程每個環(huán)節(jié)誤差的控制，及其環(huán)環(huán)相扣的誤差積累程度，可能的誤差包括：1）幾何模型本身的誤差，例如車體各部分板厚、焊接關(guān)系以及部件之間的連接關(guān)系；2）幾何模型在有限元離散過程中產(chǎn)生的誤差，包括網(wǎng)格的離散、連接關(guān)系的處理、邊界條件的近似和載荷條件的近似等多種因素；3）有限元分析中代數(shù)方程組求解過程中產(chǎn)生的誤差，例如單元剛度矩陣數(shù)值積分、迭代求解的近似計(jì)算誤差、計(jì)算機(jī)的舍入誤差等；4）有限元計(jì)算軟件系統(tǒng)的編程誤差.要獲得正確可靠的分析結(jié)果，每一階段的誤差都不能忽視.[7]

對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，判斷分析結(jié)果準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)是其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的符合程度.針對地鐵列車車體的結(jié)構(gòu)和承載特點(diǎn)，基于有限元建模軟件HyperMesh和性能分析軟件ANSYS，建立某地鐵中間車體有限元模型，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析評價(jià)車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度，并將車體靜強(qiáng)度5個工況的仿真結(jié)果與試驗(yàn)的測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，討論仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間差異的影響因素.

1 車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該地鐵車體的主體結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、端墻和車頂組成.車體基本結(jié)構(gòu)是底架無中梁的鋁合金整體承載焊接結(jié)構(gòu)，側(cè)墻斷面為鼓形.側(cè)墻、端墻和車頂為鋁合金結(jié)構(gòu)，底架為鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，其中緩沖梁、枕梁為鋼結(jié)構(gòu)，其余如地板、橫梁等為鋁合金結(jié)構(gòu).整體采用筒形結(jié)構(gòu)，傳力結(jié)構(gòu)為整體承載方式，即車體關(guān)鍵受力部位在承受外部變載荷后，通過焊接在一起的型材將外部載荷傳遞到車體各個部位，進(jìn)而車體發(fā)生相應(yīng)變形.[8-10]車體進(jìn)行組裝時，車頂、側(cè)墻、端墻和底架結(jié)構(gòu)間采用焊接方式連接，鋁合金結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)之間鉚接連接，確保連接可靠.

2 車體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

2.1 車體有限元模型

根據(jù)該地鐵車幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，具體建模描述如下.

1）車體大部分結(jié)構(gòu)，如車頂、側(cè)墻、端墻、底架等，采用4節(jié)點(diǎn)薄殼單元（SHELL181）模擬，充分考慮橫向的剪切剛度.作為承載的主要結(jié)構(gòu)，車體底架劃分網(wǎng)格時使用較小的網(wǎng)格，尺寸為15～20 mm.車頂側(cè)墻中部結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，除窗角、門角外應(yīng)力一般不太大，因此采用較為稀疏的網(wǎng)格，尺寸為20～30 mm.

2）車體上鋁合金結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)存在鉚接工藝，建模時用BEAM188單元模擬；鋁合金型材搭接部位的焊接關(guān)系用RIGID剛性單元模擬.

3）車體模型無重力加速度，車體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量用質(zhì)量單元的形式平鋪在地板面上，以完全模擬試驗(yàn)過程.車頂2組空調(diào)質(zhì)量均為0.7 t，用質(zhì)量單元MASS21模擬，并用RBE3單元吊在車頂相應(yīng)位置，其他設(shè)備以質(zhì)量單元的形式平鋪在地板面上.

2.3 計(jì)算載荷工況和約束

根據(jù)EN 12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，對該地鐵車以5種工況進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并對結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對比.各載荷工況施加見表1.工況1～4采用的位移約束均為：二位端車鉤座處約束縱向位移；中心銷處約束橫向位移；4個空氣簧處約束垂向位移.工況5采用的位移約束為：二位端車鉤座處約束縱向位移；二位端中心銷處約束橫向位移；二位端2個空氣簧處約束垂向位移；一位端復(fù)軌位約束垂向位移.

工況編號工況名稱載荷說明

1超員載荷（1.3×AW3）工況垂向載荷：1.3×（整備狀態(tài)下的車輛自重+ 超載時的乘客質(zhì)量）

2壓縮組合

工況壓縮載荷：壓縮力800 kN（沿車體中心線施加在車鉤處）

垂向載荷：整備狀態(tài)下的車輛自重 + 超載時的乘客質(zhì)量

3拉伸組合

工況拉伸載荷：拉伸力640 kN（沿車體中心線施加在車鉤處）

垂向載荷：整備狀態(tài)下的車輛自重+ 超載時的乘客質(zhì)量

4二位端部腰帶高度壓縮工況壓縮載荷：壓縮力300 kN（沿車體中心線施加在二位端腰帶高度）

垂向載荷：整備狀態(tài)下的車輛自重

5復(fù)軌工況垂向載荷：1.1×（整備狀態(tài)下的車輛自重+轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量7 t）（轉(zhuǎn)向架質(zhì)量施加于二位端中心銷處）

2.4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

使用ANSYS軟件對有限元模型進(jìn)行計(jì)算，通過對該車體的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，5種計(jì)算載荷工況下的最大von Mises應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，該地鐵車體的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.以上5種工況下車體的最大應(yīng)力及其發(fā)生部位見表2.

3 仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

3.1 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)概況

在樣車的靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，空調(diào)質(zhì)量以配重方式施加到空調(diào)位置，吊裝和內(nèi)裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量通過配重進(jìn)行補(bǔ)償，均布載荷通過多個氣缸垂直施加在枕木上，最終傳遞至車體地板.以超員載荷（1.3×AW3）工況為例，垂向載荷試驗(yàn)步驟為：1）傳感器信號清零；2）逐步施加垂向載荷，使車體總質(zhì)量為

m0；3）采集數(shù)據(jù)；4）逐步施加垂向載荷，使車體總質(zhì)量等于m1；5）采集數(shù)據(jù)；6）逐步施加垂向載荷，使車體總質(zhì)量等于m1+m2；7）采集數(shù)據(jù)；8）逐步施加垂向載荷，使得車體總質(zhì)量等于1.3（m1+m2）；9）采集數(shù)據(jù)；10）卸掉垂向載荷；11）檢查傳感器信號是否回到零位.其中：m0為準(zhǔn)備好用于試驗(yàn)的車體質(zhì)量；m1為整備狀態(tài)下的車體質(zhì)量；m2為最大有效載荷.因篇幅有限，其他工況垂向載荷的試驗(yàn)步驟不詳細(xì)說明.縱向載荷通過縱向加載設(shè)備施加在相應(yīng)部位.車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)的現(xiàn)場照片見圖2.

試驗(yàn)樣車車體上共安裝185個單向應(yīng)變片，8個三向應(yīng)變片，測試的總體布點(diǎn)見圖3，部分主要布點(diǎn)見圖4.這些測試點(diǎn)中大部分采用二向應(yīng)變片，僅在一些受力復(fù)雜的部位需用三向應(yīng)變片.在有限元模型中找到與試驗(yàn)時貼片位置大體相一致的點(diǎn)進(jìn)行結(jié)果對比，確保結(jié)果可靠.

3.2 仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告提取各個測點(diǎn)的應(yīng)力，選擇測試應(yīng)力值較大的點(diǎn)，對計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，繪制直方圖，見圖5～9.

由該地鐵中間車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對比可以看出，2種結(jié)果具有很好的一致性，說明車體性能仿真模型可以很好地反映車體結(jié)構(gòu)的實(shí)際傳力特性和車體的實(shí)際承載能力.總體來看，多數(shù)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，誤差大多在10%以內(nèi)，但個別測點(diǎn)誤差較大，具體為：在工況1和2中，測點(diǎn)A30誤差分別為44.32%和24.58%，主要原因是由于窗邊型材結(jié)構(gòu)簡化；在工況2和3中，測點(diǎn)A32誤差分別為10.33%和30.28%，誤差原因可能是窗邊結(jié)構(gòu)簡化與實(shí)際結(jié)構(gòu)有一定差異；在工況4和5中，測點(diǎn)B06誤差分別為18.52%和14.12%，焊縫附近測點(diǎn)誤差較大的原因可能是門角焊的焊角焊高等特征在有限元模型中并未體現(xiàn)，使得焊縫附近的力的傳遞路線有所改變；在工況4中，測點(diǎn)E13誤差為27.64%，原因可能是枕梁下蓋板與邊梁焊接處過渡圓弧簡化.

此外，板材加工誤差和車體裝配誤差，應(yīng)變片漂移的影響和測試區(qū)域應(yīng)力梯度的變化等不可控制因素都會使試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果產(chǎn)生一定誤差.

4 結(jié) 論

1）對某地鐵中間車車體建模計(jì)算，車體5種靜強(qiáng)度的von Mises應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力，車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

2）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性，因此，所建立的有限元仿真模型能有效反映車體結(jié)構(gòu)的實(shí)際傳力特性以及車體的實(shí)際承載能力.

3）由于建模過程中簡化部分圓角過渡區(qū)域，如門角和窗角等，使得計(jì)算應(yīng)力與測試應(yīng)力的誤差超出10%，所以在對車體進(jìn)行有限元仿真時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些部位.

參考文獻(xiàn)：

[1]曾妮. 城軌車輛車體材料的發(fā)展與選擇[J]. 黑龍江科技信息， 2012， （29） ： 282- 283.

ZENG N. Development and selection of vehicle body material for urban rail vehicles[J]. Heilongjiang Science and Technology Information， 2012（29）： 282-283. DOI： 10.3969/j.issn.1673-1328.2012.29.284.

[2] 張翔. 城市化與道路客運(yùn)發(fā)展關(guān)系研究[D]. 西安： 長安大學(xué)， 2010.

[3] 程潮剛. 城市軌道交通項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理研究及應(yīng)用[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2013.

[4] 張慶娟. 城市軌道交通成本構(gòu)成分析——以北京地鐵四號線為例[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2010.

[5] 王炎金， 丁國華， 王俊玖. 鋁合金車體制造技術(shù)在中國的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J]. 焊接， 2004， （10）： 5-7.

WANG Y J， DING G H， WANG J J. Status quo and prospect of manufacture technology about aluminium alloy bodywork[J]. Welding & Joining， 2004（10）： 5-7. DOI： 10.3969/j.issn.1001-1382.2004.10.001.

[6] 孫海霞， 戴京濤， 姜偉， 等. 有限元法在機(jī)械工程中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2011（3）： 84.

SUN H X， DAI J T， JIANG W， et al. FEM Application and development in mechanical engineering[J]. Science and Technology Innovation Herald， 2011（3）： 84. DOI： 10.3969/j.issn.1674-098X.2011.03.066.

[7] 王勖成， 邵敏. 有限單元法基本理論和數(shù)值方法[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 1997.

[8] 周建樂， 王軍. 地鐵車輛鋁合金車體的設(shè)計(jì)[J]. 城市軌道交通研究， 2000（2）： 53-56.

ZHOU J L， WANG J. Subway vehicle aluminum car body design[J]. Urban Mass Ansit， 2000（2）： 53-56. DOI： 10.3969/j.issn.1007-869X.2000.02.014.

[9] 吳海. 高強(qiáng)鋁合金整體與局部耦合穩(wěn)定性能研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2011.

[10] 王愛彬. 高速動車組拖車車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2010.

（編輯 武曉英）