不锈钢地铁车辆车下牵引设备吊挂结构研究

2020-09-24关显涛

科技视界 2020年26期

关显涛王琛

0 概述

不锈钢地铁车辆车体以强度重量比高、耐腐蚀性好、寿命长、安全性高和维修量少等优点，越来越受到业主青睐，已在国外的城轨车辆中得到广泛的应用[1]。不锈钢车体采用板梁结构，部件较多，焊接相对复杂，同时不锈钢车体材料本身热传导率低、热膨胀系数高，也导致焊接性能较差。为了保证车体强度，及乘客人身安全，须对不锈钢地铁车辆车下吊装设备进行强度和刚度的校核。

目前，较为普遍的校核方式为车体静强度试验，该方法耗时、费力、且研制周期较长。随着有限元仿真技术的成熟，并成功用于产品设计，为不锈钢地铁车辆车体结构设计提供优化和解决方案，大幅缩短了研制周期和成本，大大提高了产品的可靠性。

地铁车辆车下牵引设备具有体积大和质量大的特点，其中辅助充电箱约1 210 Kg、牵引高压箱约1 050 Kg、牵引辅助箱约1 200 Kg。这三个设备的吊挂结构相同，本文以辅助充电箱为研究对象，建立车体结构有限元仿真模型，对辅助充电箱吊挂结构的强度、刚度进行分析，以验证车下牵引设备吊挂结构是否满足EN12663:2010 中关于车下吊装设备标准载荷工况要求。

1 车体有限元模型及载荷工况

1.1 车体主要技术参数

B 型不锈钢地铁车辆车体结构断面多为下直上斜型，采用板梁组焊结构，主要由底架、侧墙、顶棚、端墙四部分结构组成，其载客量及车辆主要技术参数见表1、表2。

1.2 设计载荷及工况

不锈钢车体结构设计主要参考EN12663-2010《铁路应用—铁路车辆车体的结构要求》和GB/T7928—2003《地铁车辆通用技术条件》，EN12663-2010 中将客运车辆分为5 种结构设计类别，地铁车辆属于P-III 类别。

表1 车辆主要技术参数

表2 载客容量

表3 X- 方向的加速度加速度单位：m/s2

表4 Y- 方向的加速度加速度单位：m/s2

表5 Z- 方向的加速度加速度单位：m/s2

车下吊装设备标准载荷工况，计算车辆运营期间作用于车下吊装设备上的载荷，应单个设备的质量乘以垂直、横向及纵向的加速度，计算公式如下[2]。

垂直载荷：

其中mi为设备重量。

1.3 建立车体底架结构三维模型

运用cero2.0 三维建模软件建立车下设备悬挂模型，如图1所示。

图1 底架结构

图2 辅助充电箱悬挂结构

辅助充电箱吊挂结构由纵梁（一）、纵梁（二）、纵梁（三）、纵梁（四）、边梁补强板、不锈钢边梁、主横梁、弯梁和转接座组成，如图2 所示。

2 建立有限元模型

将底架结构的三维模型与侧墙、顶棚、端墙三部分的模型进行装配后，建立车体结构有限元模型。

2.1 计算坐标系定义

本文中所有涉及坐标系的方向如图3 所示。

图3 坐标系方向

X 向：从坐标原点指向车体底架二位端。

Y 向：从坐标原点指向顶棚。

Z 向：从坐标原点垂直指向车体右侧。

2.2 网格的划分

不锈钢车体结构主要采用4 节点等参薄壳单元模拟主体结构，用梁单元模拟焊点连接结构。在底架结构等较厚的结构也相应的采用六面体实体单元模拟。壳单元的尺寸（长度）在大多数的结构部件中的典型长度约为20～25 mm，而在更多的细化区域则要小一些，有的地方的单元长度约为4～6 mm。车体的有限元模型单元总数为1 584 442，结点总数为1 432 347。不锈钢车体结构的网格划分如图4 所示。

图4 整车网格划分

图5 底架吊装设备布置

2.3 车辆质量模拟

车体结构有限元模型建立过程中采用的单元类型有壳单元shell181，实体单元solid185，梁单元beam188，集中质量元mass21。车体钢结构质量为7.5t，底架吊挂设备布置如图5 所示。

3 车体静强度分析

3.1 算法原理

有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量（也即自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似值。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度数的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解[3]。

3.2 评定标准

EN12663-2010《铁道应用-轨道车辆的结构要求》要求：在计算工况作用下，车体结构的最大Von. Mises 应力均不得大于车体部件所用材料的屈服强度。

3.3 车下吊装设备标准载荷工况边界条件

纵向载荷纵向，纵向加速度a纵向为3 g。

其中mi为设备重量。

车下吊装设备标准载荷工况边界条件如图6 所示。

图6 车下吊装设备标准载荷工况边界条件

3.4 结果分析

不锈钢车体结构Von. Mises 应力云如图7 所示。

图7 车体Von.Mises 应力云图

辅助充电箱应力云图如8、图9 所示。

底架结构两侧边梁材料为SUS301L（HT）不锈钢，板厚为4 mm，在底架前后部，与枕梁和端梁碳钢梁采用塞焊焊接为一体；底架结构端梁采用SUS301L（LT）不锈钢，厚度为4.0 mm；底架结构主横梁采用SUS301L（DLT）或（LT）不锈钢，厚度根据需要不同采用3 mm 或4.5 mm。不同规格不锈钢的主要机械性能详见表6。