地铁铝合金车体轻量化设计与结构设计

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2019.02
铁道运输中，对车体的刚度有着很高的要求，现阶段车体材
料采用铝合金。

这样不仅能保障车辆的强度，也符合轻量化设计的要求。

文章介绍一款轻量化设计的B 型铝合金鼓形车体，用有限元模型对设计的结构强度作出了分析。

1 铝合金车体的轻量化设计
铝在地壳中的含量非常高，但强度较低，经过合金化后，强度会得到显著的提升。

同时相比于钢结构，铝的密度较低，因此铝合金在生产中得到了广泛的应用。

铝合金车体设计过程中要注意到车体的刚度问题，为了保障弯曲刚度，选取断面系数要是钢的3倍，设计中要充分考虑到铝合金的断面高和板厚度。

铝合金车体中各个零部件的连接中有焊接和铆接等结构。

其中，焊接的难度较大，操作起来较为复杂，容易产生较大的热应力[1]。

2 车体结构设计
该轻量化车体设计中，是由底架、车顶、侧墙和司机室骨架等构成的，采用铝合金全焊接的结构。

设计中的长度是19300mm ，高度是3687mm ，最大宽度是2800mm ，门间距是4450mm ，车俩定距为12600mm ，车身自重为6.6吨[2]。

2.1 主体结构型材设计
车体主体结构占总质量的80%，设计中采用了大断面中空型材，包括了车顶边梁、门立柱和底架地板等。

车体焊接使用MIG 焊，铝合金厚度的减小，会增加其焊接的难度。

在该设计中，为了保障焊接的安全程度，主体结构中保障了型材的厚度。

通常状况下，车顶边梁中用到大断面、厚度较大的筋板时，会造成车顶重量增大。

该设计中为了防止重量过大，对筋板的数量进行了科学的调控。

结构设计中对空调梁进行了单独设计，焊在长梁上，在一定程度上节省了材料。

侧墙板型材断面用三角形截面，内筋板2到3mm ，外壁为3到4mm ，保障了侧墙平面程度。

底架边梁内筋板厚度是3到4mm ，外闭厚度在5mm 左右，对底架的结构强度作出保障。

长地板中分布较多的U 形槽，增加长地板的设备悬挂能力[3]。

端墙设计中采用整体的型材，以满足其稳定性要求。

2.2 司机室结构设计
司机室骨架结构要有一定的强度和空间，并且要匹配头罩，留出安装空间。

该设计中采用到流线形，对主横梁和支撑立柱进行设计时，增加了两者的焊接长度，预留出头罩粘接区域。

焊接的区域避开门立柱的折弯区。

司机室内，主横梁发生纵向挤压时，会引起门立柱发生变形。

为了防止门立柱出现变形的状况，就要对来自主横梁的纵向力进行分散。

设计中将主横梁和纵梁相接，使得纵向力传递到车顶，在纵梁弯曲的前段设计三根弯横梁，使得向门立柱的上方进行传力。

弯横梁设计中，掌握好弯曲半径、撑板和U 型材截面[4]。

3 有限元模型
该设计中，按照车体型材和板材的厚度，利用仿真软件，将
三维模型简化成几何中面，离散为网格模型。

模型中有196687
个节点，壳单元有250688个。

其中包括了245329个四边形壳单元，5357个三角形壳单元和2个刚体单元[5]。

根据相关的标砖，对铝合金车体的结构强度进行考核。

考核工况包括AWO 空载工况、AW3超载工况，客室站立区域每平方米站9人、AW3超载空载工况下+800kN 压缩力、带点转向架四点驾车，单个转向架5.75吨、牵引梁三点驾车，垂向AWO ，一顶车点放开垂向约束、AWO 空载工况下+纵向300kN 的前窗压力和AW 空载工况下+纵向300kN 后端墙压力等。

通过对工况结果进行分析，发现在AW3超载工况下，底架边梁的最大垂向位移是7.3mm 。

按照相关的《地铁车辆通用技术条件》规定，在最大的垂直载荷的作用下，车体静挠度不超过两转向架支撑点距离的1%‰，该设计中的两转向架支撑点距离是12600mm ，说明该设计车体符合刚度要求。

按照设计工况出现概率和重要度对安全系数进行判断。

当车体运营乘客的时候，安全
系数就较高，为1.3，
复轨架车工况等的安全系数相对较低，为1.1。

但是因为材料以及制造工艺的差别，算出的结果和相对的安全系数有一定裕量[6]。

4 模态分析
利用模态分析能计算铝合金车体的固有频率，确定车体的振型。

两者是承受动态载荷结构设计的主要参数。

模态能对结构整体或者局部的刚度作出判断。

为了使车体刚度得到提升，车辆符合刚度要求，减小因为外界激振产生的不良动态响应。

模态分析中用质量块模拟设备重量，加载在车体，使用拉格朗日算法。

在进行计算时分为空车自由模态和整备状态自由模态。

一般状况下，转向架的振动频率在4到6Hz 之间。

该设计的铝合金车体整备状态下一阶垂向弯曲频率是9.82Hz ，是转向架振动频率的1.6倍，和转向架不会发生激振现象，符合相关的设计要求。

综上所述，文章中设计了B 型铝合金车体，通过有限元模型对还车体作出了分析，结果说明该车体的强度、刚度等方面都符合相关的要求。

该车体的轻量化设计和司机室的骨架结构为B 型地铁鼓形铝合金车体的设计作出了参考。

参考文献
[1] 罗宝，岳译新，刘永强，许晶晶.B 型地铁轻量化不锈钢车体结构设计[J].技术与市场，2017，24（12）：6-7+10.
[2] 王国军，王丽.A 型地铁铝合金车体轻量化设计及结构优化设计研究[J].技术与市场，2017，24（12）：14-16+19.
[3] 黄洋，刘宁，王富宇.地铁车辆蹬车梯优化设计[J].电力机车与城轨车辆，2017，40（03）：48-49+56.
[4] 孔凡昌，王洪奇，王永刚，何秀全，吴宇.地铁车辆自动折叠座椅坐垫轻量化研究[J].价值工程，2017，36（13）：75-77.
[5] 夏健博，应博.基于有限元的A 型地铁拖车轻量化研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2016，34（04）：532-534.
[6] 陈晶晶，柳晓峰.某A 型地铁车体结构轻量化研究[J].电力机车与城轨车辆，2015，38（06）：9-11.
地铁铝合金车体轻量化设计与结构设计
曹志浩
（青岛中车电气设备有限公司，青岛 266000）
摘要：随着人们生活水平的提升，对出行安全也有了更高的要求。

地铁作为人们常用的交通工具之一，安全性受到人们的广泛关注。

文章简要介绍了一种B 型铝合金车体的轻量化设计，对车体结构建立有限元模型，按照标准对该铝合金车体在多个工况下的应力、变形等作出分析。

通过实践证明，该地铁铝合金车体设计符合相关的要求。

关键词：地铁；铝合金车体；轻量化设计doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.02.129
中图分类号：U270.2 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）02-0169-01。