徐帅

摘 要：随着我国城市化的发展，城市轨道交通的地位变得越来越重，具有高效、快捷、舒适、客运量大等优点的地铁已经成为城市轨道交通中最常见的一种。然而，任何事物都是一把双刃剑，地铁为人们提供了方便，但一旦发生安全事故，其后果是无法想象的。历史上有很多次地铁安全事故都源于车体强度问题和振动问题。因而，对新设计的车体结构进行强度校核和模态分析具有显著的社会意义和经济意义。地铁是城市轨道交通的一种，一般由车体、转向架、制动装置、风源系统、电气传动控制、辅助电源、通风、采暖与空调、内部装修及装备、车辆连接装置、受流装置、照明、自动监控系统等组成。地铁车型往往被分为A、B、C三种型号，三种车型的主要区分是车体宽度，A型地铁列车：长22.8米，宽3米；B型地铁列车：长19米，宽2.8米；C型地铁列车：长19米，宽2.6米。一般A型、B型车最常见，C型车一般比较少见，因其运输能力有限，在交通比较拥挤的城市无法容纳高峰客流。本文的目的是在现有几何模型的基础上建立该地铁车车体的有限元模型并对车体进行强度分析和模态分析，了解在工况下车体的变形及应力情况，为检验设计是否符合标准提供依据。通过模态分析可以了解车体部件的固有频率以确定出车体振动频率的危险频率段，从而可以确定车体在什么样的载荷下工作不会发生共振。

关键词：地铁；车体强度；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.088

1 引言

本课题拟根据某城市地铁车车体的实际几何结构，在HyperMesh软件环境下建立与几何结构相符的中面模型，并在中面模型上进行网格划分，建立完整的有限元模型，然后根据相应的技术规范中的要求，在ANSYS软件中进行强度分析和模态分析计算。结果显示，车体在相应静强度工况下应力分布较合理，最大应力不超过材料屈服极限，满足设计要求；模态分析得到车体一阶垂向振动频率为13.5575Hz，一阶扭振频率为18.1975Hz。所得计算结果可以为工程设计人员提供理论指导。

2 计算模型

本课题研究的某城市地铁车体是钢铝混合结构：车顶、侧墙、底架、端墙采用以型材为主要结构形式的铝合金材料，牵引梁、缓冲梁、枕梁采用高强度钢结构，钢结构与铝合金结构间通过铆钉相连。

2.1 材料参数

该车主要部位材料汇总如表1，由表可知，车体主要材料为铝型材，铝合金车体的特点是利用铝的相对体积质量约为普通钢的三分之一这一点来减轻车体自重。铝合金车体的自重一般可达到普通钢车体的二分之一。

2.2 车体几何模型

其地铁车体几何结构及有限元模型如图1。

2.3 有限元模型

使用壳单元对车体几何模型进行网格划分，单元类型为shell181。

3 车体静强度分析计算

3.1 工况条件

依據EN12663-2010标准，计算了车体在整备（AW0）工况下的结构变形与应力分布情况，工况约束与载荷如下：

车体承受整备重量30吨，重量平铺在车体地板上；底架空气弹簧处施加垂向与横向约束，车钩座处施加纵向约束；约束图如图2。

评定标准：在各计算工况作用下，车体部件的应力均不得大于部件的屈服极限。不同材料的屈服极限：铝：215MPa、铝焊缝：115MPa、钢：690MPa。

3.2 计算结果

得到计算结果如图4图5所示，图中给出了该计算工况作用下静强度的变形云图和Von-Mises应力云图。

由上述工况计算结果可得，该地铁车体主体结构应力均小于材料的屈服极限，安全系数均大于1.15。表1为静强度工况计算结果汇总。

4 车体模态分析

对本车体结构进行了模态分析，表2列出了前3阶模态分析结果。

5 结语

本次计算对某城市地铁四号线地铁车车体结构进行了有限元分析及模态分析，计算结果表明：考虑安全系数为1.15，静强度工况下，车体主体结构应力均小于材料的许用应力，结构设计满足强度要求。

由模态分析结果可见：整备状态模态一阶垂向振动频率为13.558Hz。通过模态分析了解结构发生共振的频率段，这样就可以知道在什么样的外载荷下会有危险，从而避开这些载荷。

进行强度分析、模态分析的这一整个过程中发现这一系列步骤可谓是环环相扣，几何模型没有处理好就建不出高质量的有限元模型，而有限元模型的建立又是关键的一步，也是很容易出错的一步，若是有限元模型有差错便会直接影响到强度分析和模态分析的结果。因此，要想最终得到满意的结果，扎扎扎实实做好每一步才是关键。

参考文献：

[1]曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]梁醒培.应用有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2010.