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地铁铝合金车体结构设计与有限元分析

发布于:2019-07-15 17:57
有限元分析

      由于铝质量轻,比强度高,易于挤压成型,有利于车辆轻量化,近半个世纪以来,铝合金车体取得长足发展。为确保所设计的地铁铝合金车体具有足够强度和刚度,分垂直总载荷、纵向压缩(拉伸)、顶车与风载荷及其组合等12种工况,采用有限元分析App进行强度分析计算,为其结构改进和优化提供依据。
      所设计的车体为采用大型中空铝合金挤压型材的地铁B2型鼓形车体,主要技术参数为车辆长度19m;车体外侧最大宽度2.884 m;车辆定距12.6m;车顶高度(距轨面)3.8 m;地板面高度(距轨面)1.1 m;整车车体自重力202.4 kN。车体结构由底架、端墙、侧墙与车顶4类大部件及其连接件共同组焊而成,各大部件均由沿车体通长的大型中空封闭断面铝型材挤压模块相联结而成,具体结构如下:(1)底架是车体组成的基础,车辆的走行装置及连接缓冲装置都直接与底架相连,采用3种挤压模块共7长条拼焊成整块地板梁。牵引梁与缓冲梁组成、枕梁、端梁、小横梁及角柱均以地板梁为基础,焊接在其底部。牵引梁与缓冲梁预先形成一丁字形组件,牵引梁尾部直接与枕梁相连,将牵引力传递到枕梁的牵引销及其两端的下侧梁,枕梁则采用铝板焊成的箱形结构。(2)端墙以左、右对称的端墙板为基础,由横向梁联结,端墙板内竖向板梁式柱子也采用了空心截面的挤压模块。(3)侧墙由4种挤压模块用纵向焊缝拼焊成整体后,再用短柱焊出其竖向立柱和切割出门窗。车顶上侧梁与底架下侧梁通过侧墙相联结,使车体成为强大的垂向承载构件。(4)车顶部分因安装空调机组及受电弓的需要,有一些“局部结构”与“一般结构”,“一般结构”由8长条挤压型材拼焊而成,其下部用弯梁支托,弯梁与侧墙的门、窗柱在同一横截面上,另车窗及车门中部也布置了一根弯梁。
      根据铝合金车体由大型中空挤压型材焊接而成的特点,建模时按偏安全原则,尽可能细致地离散车体。由于该车车体结构及载荷沿车体垂向中央平面对称,故取1/2车体建立结构离散力学模型。车体地板、车顶、侧墙和端墙按照中空型材的断面采用板单元加以建模;梁单元主要用于模拟门柱、窗柱、窗台、车顶弯梁、底架小横梁和端墙角柱、门框柱、门顶及空调坑横梁。半车车体共有结点32278个,板单元21146个,梁单元980个。
      空车垂直载荷即车体自重力为202.4 kN,考虑1/2车体,地板面均布载荷q=3.332kN/时;集中载荷P1=8.731 kN,为空调机组质量,作用于车端顶部,P2=4.4145kN,为车钩连接装置质量,作用于车钩支座上;满载垂直载荷,根据建设部有关标准规定B型车满载时乘客人数为310人,每人按照60 kg计算,载荷W= 310X60X9.81/1000 = 182.466 kN,加上车体自重,满载时地板面均布载荷q=6.784 kN/时;牵引梁车钩安装座处水平纵向拉伸力(压缩力)为1.0MN;风载荷qf= 700N/时,作用在车体一侧。参照相关规范,确定计算工况为空车垂直载荷1、满载垂直载荷2、载荷1+纵向压缩力、载荷2+纵向压缩力、载荷1+纵向拉伸力、载荷2+纵向拉伸力、单独纵向压缩力、单独纵向拉伸力、空车对称顶车(顶车位置在车体两端缓冲梁的下平面处)、空车对角顶车(顶车位置由4个改为对角两个顶车点)、空车一端连转向架顶车(底架一端枕梁的两端下平面处顶车,转向架连同车体吊起)、单独风载荷作用。


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