地鐵鋁合金車體靜強(qiáng)度分析以及底架橫梁尺寸優(yōu)化

地鐵鋁合金車體靜強(qiáng)度分析以及底架橫梁尺寸優(yōu)化車體的靜強(qiáng)度分析是分析車體性能不可或缺的一部分，靜強(qiáng)度分析能夠清晰的得出車體在各個(gè)工況下應(yīng)力的分布情況。文章以某地鐵鋁合金中間車的底架為研究對(duì)象，利用HyperMesh軟件建立了該車體結(jié)構(gòu)的有限元模型。借鑒了國(guó)內(nèi)外的地鐵車輛技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定了載荷工況，基于該鋁合金中間車車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)車體的底架橫梁部分進(jìn)行尺寸優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化之后的車體靜強(qiáng)度以及剛度進(jìn)行了計(jì)算和校驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果均符合材料以及設(shè)計(jì)要求，在保證車體靜強(qiáng)度和剛度符合條件的同時(shí)，改進(jìn)了底架橫梁的尺寸，減小了車體的質(zhì)量，與原車體底架橫梁質(zhì)量相比減小了20.89kg。標(biāo)簽：鋁合金；車體；靜強(qiáng)度；尺寸優(yōu)化Abstract：Thestaticstrengthanalysisofthecarbodyisanindispensablepartoftheanalysisofthecarbodyperformance.Thestaticstrengthanalysiscanclearlygetthedistributionofthestressofthecarbodyundervariousworkingconditions.Inthispaper，afiniteelementmodelofasubwayaluminumalloymiddlecarisestablishedbyusingHyperMeshsoftware.Basedonthestructuralcharacteristicsofthealuminumalloyintermediatecarbody，thesizeoptimizationoftheframebeampartofthecarbodyiscarriedoutbasedonthereferencetothedomesticandforeignsubwayvehicletechnicalstandards.Thestaticstrengthandstiffnessoftheoptimizedcarbodyarecalculatedandcalibrated.Thecalculatedresultsmeettherequirementsofmaterialanddesign.Thesizeoftheunderframebeamisimprovedwhilethestaticstrengthandstiffnessofthecarbodyconformtotheconditions.Theweightofthecarbodyisreducedby20.89kg，comparedwiththeframebeamoftheoriginalcarbody.Keywords：aluminumalloy；carbody；staticstrength；dimensionoptimization引言地鐵車是城市軌道交通裝備的重要組成部分，高效便捷的軌道交通是緩解我國(guó)由于城市人口迅速增長(zhǎng)而造成交通巨大壓力的首選方案。鋁合金車體具有重量輕，耐腐蝕，外觀平整度好和易加工的優(yōu)點(diǎn)，從而受到了廣泛的應(yīng)用。車體結(jié)構(gòu)是車輛的載體，是整個(gè)車輛的基礎(chǔ)，本文對(duì)鋁合金地鐵中間車建立了有限元模型，對(duì)車體進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并根據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。1車體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)介本文研究的車體是某A型鋁合金地鐵車的中間車，該中間車車體采用全長(zhǎng)的大型中空鋁合金擠壓型材組焊成筒型整體承載結(jié)構(gòu)。車體由底架、車頂、側(cè)墻以及端墻構(gòu)成。車輛運(yùn)行的最大速度為80km/h，車體的長(zhǎng)度、最大寬度以及最大高度分別是22800mm、3000mm、3842mm。車輛的整備重量為21.2173t，車體的定員載客量為309人，超員載客量為440人，車體可以承受垂直、縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)等載荷。2計(jì)算模型的建立基于該鋁合金車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)考慮，應(yīng)用HyperMesh軟件對(duì)該車體進(jìn)行有限元模型的建立以及網(wǎng)格的劃分，采用20mm左右的SHELL單元離散車體結(jié)構(gòu)，車體的有限元模型一共包括了199萬(wàn)個(gè)單元和178萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。3車體的靜強(qiáng)度分析3.1計(jì)算載荷以及工況設(shè)置為了考察地鐵車體的強(qiáng)度，根據(jù)車輛在使用過(guò)程中的實(shí)際情況。參照《EN12663：2010鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》和《設(shè)計(jì)規(guī)劃書(shū)》確定車體載荷、車體約束和計(jì)算工況。在所有的計(jì)算工況下，一共選擇10種工況來(lái)進(jìn)行計(jì)算：空載工況；定員工況；超員工況；最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況；垂向載荷加縱向壓縮載荷工況；垂向載荷加縱向拉伸載荷工況；一端提升工況；兩端提升工況；扭轉(zhuǎn)工況；三點(diǎn)支撐工況。選取所有計(jì)算工況中最具有代表性的工況來(lái)進(jìn)行分析說(shuō)明，依據(jù)分析的結(jié)果，最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況是最惡劣的工況，因此該工況也最具有代表性，以下都以該工況進(jìn)行分析說(shuō)明，在這種工況下，空調(diào)、AB箱、蓄電池箱及空壓機(jī)的重量按照集中載荷施加于設(shè)備重心部位，而其他重量均布車體底架地板上表面。定員乘客重量均布于車體底架地板上表面，底架空氣簧部位施加位移約束。3.2靜強(qiáng)度計(jì)算與分析通過(guò)對(duì)最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況的計(jì)算結(jié)果分析可知，在該工況下，底架橫梁的最大垂向位移為16.12mm，整車的垂向位移為8.05mm。底架橫梁的Vonmises應(yīng)力為52.3MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度205MPa，可知車體底架橫梁部分的材料有余量，并沒(méi)有能夠充分利用。因此對(duì)底架橫梁的厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，在保證能夠滿足材料屈服強(qiáng)度的條件下，減小橫梁厚度的尺寸，從而減小車輛的重量，使材料能夠充分地利用，盡可能地減少浪費(fèi)，達(dá)到材料的利用最大化。4底架橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)選用最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況進(jìn)行分析說(shuō)明，在保證車輛安全的條件下減輕車體的自重。減輕車體底架橫梁的重量，在保證車體靜強(qiáng)度的同時(shí)，減小車體的自重。觀察分析車體底架的橫梁，對(duì)車體的底架橫梁進(jìn)行尺寸優(yōu)化。尺寸優(yōu)化是一種細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是設(shè)計(jì)人員在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。它是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)單元的屬性，例如殼單元的厚度、梁?jiǎn)卧臋M截面屬性等。在尺寸優(yōu)化中，結(jié)構(gòu)單元的屬性，如殼單元的厚度、梁?jiǎn)卧臋M截面屬性、彈簧單元的剛度和質(zhì)量單元的質(zhì)量等，可以定義為設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。對(duì)底架橫梁進(jìn)行尺寸優(yōu)化，該橫梁的結(jié)構(gòu)由三部分焊接而成，選取這三部分作為設(shè)計(jì)變量，三個(gè)部分的初始尺寸分別為6mm、7mm、8mm。優(yōu)化的問(wèn)題描述如下；選取車體底架橫梁的厚度尺寸作為設(shè)計(jì)變量，變化范圍為3mm至8mm，為了保證車體的強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)，在該工況下將材料的屈服極限設(shè)為約束，以車體質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)底架三個(gè)橫梁的厚度尺寸進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果顯示，在該工況下，經(jīng)過(guò)5步迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)果收斂，該迭代計(jì)算過(guò)程中尺寸變化的過(guò)程以及優(yōu)化后的尺寸厚度結(jié)果如表1所示。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行核對(duì)和校驗(yàn)，將迭代后的結(jié)果替換原來(lái)的底架橫梁尺寸厚度，在改進(jìn)前，底架橫梁所受的最大應(yīng)力為79.7MPa，小于材料的屈服極限205MPa，滿足材料的靜強(qiáng)度要求。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，底架橫梁的最大垂向位移為16.88mm，與優(yōu)化前相比，位移增加了0.76mm，與原結(jié)構(gòu)相比增大了4.5%，位移變化并不明顯，經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，局部的靜強(qiáng)度以及剛度滿足要求。下面驗(yàn)證改進(jìn)尺寸后整車的靜強(qiáng)度與剛度，對(duì)整車的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，無(wú)論何種工況下，車體的最大應(yīng)力值均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力或屈服強(qiáng)度，靜強(qiáng)度滿足要求。改進(jìn)后整車的最大垂向位移為8.06mm，與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)相比位移增加了0.01mm，位移變化很小，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，改進(jìn)后的車體也滿足其剛度要求。因此，改進(jìn)后無(wú)論是底架橫梁局部的的靜強(qiáng)度和剛度還是整車的靜強(qiáng)度以及剛度都符合要求。5結(jié)束語(yǔ)本文對(duì)地鐵鋁合金車體進(jìn)行有限元分析，初始計(jì)算結(jié)果表明在最大運(yùn)轉(zhuǎn)載荷工況下，中間車體底架橫梁的Vonmises應(yīng)力遠(yuǎn)小于該車體的屈服極限，表明該底架橫梁部分材料還有余量，并沒(méi)有能夠充分利用。進(jìn)而對(duì)底架橫梁厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，將原來(lái)的底架橫梁的尺寸由8mm、7mm、6mm優(yōu)化至3mm，對(duì)優(yōu)化后的尺寸進(jìn)行核對(duì)和校驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化后的底架橫梁應(yīng)力分布均勻且小于該材料的屈服極限，車體的靜強(qiáng)度以及剛度均符合要求，與改進(jìn)前的底架橫梁相比，改進(jìn)后底架橫梁的質(zhì)量減少了20.89kg，減重比為58.4%，減重效果明顯，達(dá)到了車體減重的目的。參考文獻(xiàn)：[1]常樹(shù)民，馬紀(jì)軍.鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思[J].鐵道車輛，20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