李思++刘娟娟++王国静++苏强++果立奎

摘 要：本文以薄壁鼓形整体承载的铝合金B型地铁车车体结构为研究对象，对其进行了车体结构形式设计、力学承载特性分析。按照EN12663标准要求确定载荷及工况，运用有限元分析软件AYSYS对车体进行静强度仿真计算，结果表明该铝合金B型地铁车体的强度、刚度均满足安全可靠性要求。同时为此类车体结构优化设计提供了参考依据。

关键词：铝合金；车体；强度；刚度

中图分类号：U27 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0051-03

1 引言

高效便捷的轨道交通是缓解我国由于城市人口迅速增长而造成交通巨大压力的首选方案，地铁以其自身环保、节约、高效、舒适的特点，逐渐成为现代城市公共客运交通体系的骨干[1]。铝合金地铁车体是城市轨道交通设备的重要组成部分，与传统的钢制车辆相比，具有密度小、强度高、耐腐蚀性和成型性能好等优点[2]。

2 铝合金B型地铁车体结构特点

铝合金B型地铁车体由大型中空铝合金型材组焊而成，为鼓形整体承载结构，能够承受垂直、纵向、横向、扭转等载荷。车体组成采用模块化设计，主要由底架、侧墙、车顶、端墙及司机室等模块组成，各大部位之间通过焊接的方式连接起来，使得车体具有很好的防振、隔音效果。车体结构分解图详见图1。

2.1 底架组成

底架由一、二位端牵枕缓、地板、边梁、端梁等部件组成。底架的设计充分考虑车辆的被动安全性能，为提高列车吸收撞击能量的能力，除加大列车车钩缓冲系统能量吸收能力外，头车底架在司机室前端所对应的位置设有底架前端模块，并且设有撞击能量吸收变形区。在首尾车司机室端底架处设有防爬装置，防止两列车发生冲撞时产生爬叠。

2.2 侧墙组成

侧墙是由一、二位侧墙构成，侧墙带盲窗。两侧侧墙对称排布，每侧侧墙由五块侧墙模块组成，每块侧墙模块由侧墙型材和门立柱组成。侧墙最宽处为2750mm，在满足车辆限界同时最大限度地增大车辆的载客量。门角和窗角为应力集中区，在设计时采用了侧墙板窗口整体加工的方式，窗角处圆滑过渡，在门角区域采用整体加工圆弧过渡，保证焊缝避开门角应力集中区。

2.3 车顶组成

车顶主结构由平顶组成、车顶边梁组成、圆弧顶组成拼焊而成，采用高低顶结构。型材壁厚考虑轻量化的设计，并在空调安装座的位置加厚，来满足空调安装座的焊接和安装强度要求。在车顶型材上设置有沿车长方向上的通长防滑走行立筋，保证车顶设备维护时走行安全。车顶边梁型材外侧设置有一体式雨檐，引导积水从车体两端排水管排出。

2.4 端墙组成

端墙是由两根门立柱、一根门上横梁、端墙板组成。门立柱以及门上横梁组焊成一个骨架结构，外侧焊接端墙板。端墙板采用12mm厚的宽幅铝板材拼焊而成，端墙板外侧轮廓与侧墙外侧轮廓匹配。考虑平顶排水，在端墙上部设置排水口。端墙结构能够满足贯通道机构安装的结构要求。

2.5 司机室骨架结构

司机室骨架采用铝型材拼焊形成整体骨架结构，端部设置周圈弯曲连接梁，此连接梁与车体之间采用螺栓连接。司机室骨架的下部立柱设置有连接板，连接板与底架前端直接采用螺栓连接，玻璃钢外罩通过螺栓固定在司机室骨架上。

3 铝合金B型车车体强度计算

铝合金车体有限元模型构成以任意四节点等参薄壳单元为主，与板单元相比，壳单元由于结合考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应，因此，具有更高的计算精度。考虑到车体的底架与牵引梁、枕梁、缓冲梁的连接方式的特点，在建立车体有限元模型时，采用梁单元来模拟车体的底架与牵引梁、枕梁、连接梁的焊接关系；车体结构的有限元模型如图2所示。

3.1 车体静强度载荷工况

根据相关标准和车体技术规范要求（EN12663-1：2010《铁路应用——铁路车辆车体的结构要求》中的类别PⅢ），对车体进行了19种静强度载荷工况的计算分析，有效地模拟了铝合金B型地铁车辆在运营过程中的状态，仿真工况及参数如表1所示。

3.2 车体静强度计算结果与分析

将上述载荷施加在有限元计算模型上，得到车体静强度计算结果，各工况的最大计算应力如表2所示。

3.2.1 静强度分析结果

由静强度的计算结果（表2）可知，各种工况下，高应力区域主要集中于下门角补强角、缓冲梁下盖板、二位端端墙立柱、枕梁下盖板、门角上型材、牵引销安装孔处、车顶板上，车体结构的计算应力均小于材料许用应力，满足EN 12663-1：2010中关于强度的要求。其中最危险工况为工况7，应力云图详见图3。

3.2.2 刚度分析结果

最大垂向载荷（工况7）作用下，车體底架边梁下面最大垂向位移10.6mm，如图4所示。根据GB/T7928-2003《 地铁车辆通用技术条件》标准要求：在最大垂向载荷作用下，车体底架边梁静挠度不超过两转向架支撑点之间距离1‰。该车车辆定距12600mm，满足要求。

4 结语

（1）进过分析计算，该B型地铁在各个工况下的应力水平都不超过相应结构对应的许用应力，并且其垂向刚度变形在允许范围内，车体的强度、刚度均满足相应标准的要求。

（2）计算结果表明：采用铝合金作为B型地铁的车体材料，在车体的强度和刚度满足标准要求的同时，也实现了车体质量的轻量化。

参考文献

[1]陆娟.铝合金地铁车体静、动态及疲劳分析[D].南京：南京工业大学，2006.

[2]姚曙光，许平.新材料在高速客车上的应用川[J].中国铁道科学，2001，26（4）：24-26.