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鋁合金鼓形車體結構設計與計算分析
摘要：文章介紹了一種B型鋁合金鼓形車體結構的輕量化設計，建立了該車體結構的有限元模型，并依據(jù)相關標準分析了其在各個工況下的應力、變形及模態(tài)頻率。結果表明，該車體結構的強度和剛度均滿足相關技術要求。
關鍵詞：地鐵車輛鼓形車體有限元鋁合金
0.引言
本文介紹的是一款具有流線外形，采用輕量化設計，適合在城市高架線路上運營的全新B型鋁合金鼓形車體。得益于鋁合金型材擠壓技術和折彎技術的日益成熟，車體輕量化設計的可靠性和穩(wěn)定性得到了有力保證。 本設計存在兩大技術難點：其一是據(jù)現(xiàn)有擠壓和焊接工藝，設計滿足全壽命使用要求的輕量化車體結構;其二是設計滿足流線形頭罩安裝的功能情司機室骨架結構。本文將就上述兩點分析車體結構，并利用有限元方法對其結構強度和模態(tài)振型進行分析。
1.車體結構設計
本輕量化車體為整體承載的鋁合金全焊接結構，由底架、側墻、端墻、車頂和司機室骨架結構等部分組成，如圖1所示。其主要技術參數(shù)如下： 長度/mm 19300 最大寬度/mm 2800 高(軌面至車頂)/mm 3687 車輛定距/mm 12600 車門間距/mm 4450 車體自重/t6.6 整備重量/空載( AWO)/t 31 超載( AW3)/人 326 設計時速/km/h 90 車體鼓形斷面以車輛限界為基礎確定車體外部輪廓線及車體鼓形拐點，充分利用了限界空間，擴展了車輛內部的乘客站立空間。圖2為車體結構斷面圖。
1.1 車體主體結構型材設計
車體的主體結構均為大斷面中空型材，主要有底架邊梁、車頂邊梁、端墻、門立柱、側墻板、底架地板等，其總重占車體重量達80%。目前，國內企業(yè)能擠壓出滿足鐵路應用要求的鋁合金型材最小壁厚為2mm，隨著截面增大和內部筋板厚度的降低，擠壓難度增加;在車體焊接方面，國內主要采用MIG焊，且隨著鋁合金板厚的降低，其焊接難度和變形是不斷增大的。同時，考慮焊接質量和安全性，主體結構須保證連接處型材外壁具有足夠的厚度。
一般情況下，車頂邊梁和長梁型材均采用大斷面、稀疏而厚度較大的筋板，直接導致了車頂重量的增加。這里通過合理配比筋板數(shù)量、截面材料利用率等，使重量大幅下降。與以往在長梁型材上加工空調梁不同，本結構單獨設計空調梁并阻焊在長梁上，節(jié)省了大量的材料和加工成本，如圖3車頂邊梁、長梁和空調梁組裝圖。
側墻板型材斷面大量采用三角形或梯形截面，3 -4mm的外壁和2-3mm的內筋板，保證了側墻的平面度和剛度，其型材見圖4。門立柱采用“日”字型腔，較小的壁厚就能達到很好的折彎性能和剛度，結構如圖5。
底架邊梁內筋板厚度為3-4mm，外壁厚度約5mm，保證了結構剛度和焊接性，如圖6底架邊梁型材圖。為簡化安裝和增加長地板的設備懸掛能力，長地板上分布了大量的C形槽，如圖7a長地板型材圖。
端墻包括端墻立柱和墻壁，為了保證端墻的穩(wěn)定性，采用了一塊整體型材，如圖7b端墻型材。
1.2 司機室結構設計
司機室采用流線形設計，其骨架結構須滿足三個功能：一是強度要求;二是使司機室空間最大化;三是匹配頭罩，預留足夠的安裝空間。
圖8是司機室骨架結構圖，其設計重難點包括以下幾個部分：
1)主橫梁及支撐立柱。為增加連接的可靠性，應增加主橫梁與門立柱的焊縫長度，同時預留頭罩粘接區(qū)域。主橫梁與門立柱焊接區(qū)域要避開門立柱的折彎區(qū)，同時應考慮司機操縱臺的主要是安裝及視野開度等對主橫梁的高度要求。
2)縱梁。司機室門立柱變形主要是主橫梁縱向擠壓引起的。為減小門立柱的變形，分散縱向力，這里設置縱梁與主橫梁相接，將縱向力傳遞到車頂，并在縱梁彎曲前段設置了三根彎橫梁，向門立柱上部傳力。此外，縱梁仰角、折彎半徑和斷面尺寸是設計中優(yōu)化的重點。
3)彎橫粱。結構設計的關鍵在于設計適當?shù)膹澢霃健型材的截面和撐板等。
4)與接口有關的功能結構設計，主要有前窗上橫梁和短縱梁。
2.有限元建模
2.1有限元模型
本計算采用I-deas仿真軟件，根據(jù)車體型材和板材的不同厚度，將三維模型簡化為不同板厚的幾何中面，而后離散為具有相同材料屬性的網(wǎng)格模型。計算模型包括196687個節(jié)點，250688個殼單元，其中四邊形殼單元( she11)245329個，三角形殼單元5357個，剛體單元2個。
2.2計算工況
參照標準EN12663—2000:鐵路車輛車體的結構強度要求，共計算了22種工況，主要考核工況如下。
工況O:AWO空載工況;
工況1:AW3超載工況，客室區(qū)站立區(qū)9人/m2;
工況2：1.3倍AW3工況;
工況3：工況1+縱向800kN壓縮力;
工況4：工況l+縱向640kN拉伸力;
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