武汉市轨道交通一号线车辆铝合金车体.pdf

武汉市轨道交通一号线车辆铝合金车体朱圣瑞!周胜平 武汉市轨道交通有限公司!湖北 武汉4 3 0 0 3 0#摘要$武汉市轨道交通一号线车辆在国内首次采用了全焊接铝合金型材结构的车体%文章介绍了其设计过程&计算机模拟计算&样车生产和测试!结果表明该车体设计满足技术条件!很成功%关键词$铝合金车体 设计 模拟计算 测试中图分类号$U 2 7 0.3 2文献标识码$A文章编号$1 6 7 2-1 1 8 72 0 0 5(0 5-0 0 3 1-0 4!#$%&#$()*+(,-).*/),0#1(&2(%3,(&4%5 6%&7 8 971%+74Z H US h e n g-r u i!Z H O US h e n g-p i n g)Wu h a n R a i l T r a n s i t C o.!L t d.!Wu h a n4 3 0 0 3 0!C h i n a(!#$%&$T h e f u l l w e l d e d a l u m i n u m-a l l o y c a r b o d y w a s a d o p t e d f i r s t l y f o r t h e v e h i c l e o f t h e Wu h a n R a i l T r a n s i tL i n e 1.I t w a s s u c c e s s f u l l y d e s i g n e dv i a s i m u l a t i n g b y c o m p u t e r!t y p e c a r b o d y m a n u f a c t u r i n g a n dt e s t i n g.T h e r e s u l t ss h o wt h a t t h e c a r b o d y d e s i g n s a t i s f i e s t h e t e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t s a n d i s s u c c e s s f u l.()*+,%-#$a l u m i n u m-a l l o y c a r b o d yd e s i g ns i m u l a t i o nt e s t电力机车与城轨车辆!#$%&$()$)*)%+,-./0-1&02-%3,4$,-第2 8卷第5期2 0 0 5年9月2 0日V o l.2 8N o.5S e p.2 0 t h!2 0 0 5收稿日期$2 0 0 5-0 5-1 0作者简介$朱圣瑞 1 9 7 3-(!男!工程师!1 9 9 8年获大连铁道学院车辆工程专业硕士学位!现从事轨道交通车辆技术管理工作%采用耐腐蚀性能较强的铝合金型材的车体不仅可使车辆轻量化!减少能源消耗!同时也可以减少车体的维修工作量%目前世界各国均在大力发展制造铝合金车体!投入运营的铝合金车体已达三万多辆%武汉市轨道交通一号线一期工程车辆是国产B型车首次采用全铝合金车体!在设计人员的努力下!解决了设计&制造&工艺等方面的诸多难题!保证了一期工程车辆铝合金车体的试制一次性成功%下面分别从车体设计&车体强度计算机模拟计算&车体强度现场试验等不同阶段进行阐述%1铝合金车体设计根据车辆采购合同!一期工程车辆车体为底架无中梁整体铝合金型材焊接承载结构!车体材料选用强度大!重量轻!耐腐蚀性能好的大型挤压铝合金型材%同时!要求铝合金车体满足以下要求$1(当车辆在A W3 每平方米站9人!动车为3 3 4人!拖车为3 0 4人!每人按6 0 k g计算(负载情况下!上挠度不小于02(车体驾驶室端部底架设置吸能装置和防爬器3(车体结构的频率谱系不能与转向架频率产生共振4(车体应达到1 07个周期内的疲劳寿命标准!不小于3 0年的使用寿命%5(车体驾驶室端部底架应具有能量吸收功能!可吸收2 4 0 k J的高冲击能量%1.1车辆总体主要参数车体全长/m m1 9 0 0 0M车(!1 9 3 0 0Tc车(车辆最大宽度/m m2 8 0 0车辆高度/m m3 8 0 0车辆内高/m m2 1 0 0车辆地板面高/m m1 1 0 0车辆轴距/m m2 2 0 0车辆定距/m m1 2 6 0 0车辆自重/t3 5M车(!3 0Tc车(车体自重/t6.5M车(!6.7Tc车(转向架重/t7M车(!5Tc车(可承受纵向最大压缩载荷/t1 0 0可承受纵向最大拉伸载荷/t7 5最高运行速度/k m*h-18 0最大定员/人3 3 4M车(!3 0 4Tc车(车钩纵向中心线距轨面高/m m6 6 0-3 1-1.2材料及性能车体铝型材采用6 0 0 5 AT 6!底架上的牵引梁和缓冲梁采用7 0 0 5 T 6!材料参数见表1表1铝型材的材料参数材料屈服极限 许用应力疲劳极限 弹性模量泊松比密度/M P a/M P a/M P a/G P a/g#c m-36 0 0 5 A$T 6%2 1 01 6 89 76 90.3 32.77 0 0 5$T 6%2 9 02 3 21 2 57 10.3 32.7 8注&许用应力!=s#8 0%!$s为铝材的屈服强度1.3车体结构车体为B型车!呈鼓形!采用电动塞拉门连续窗结构(铝结构平面图如图1所示)$a%M车$b%Tc车$c%铝结构断面图图1车体铝结构平面图1.3.1车顶车顶采用铝合金型材焊接结构!圆弧顶由4种7块型材插接组成!空调平台也是由4种7块型材插接组成的!圆弧顶由圆弧及切线段构成车顶和空调平台组成各型材之间采用V型坡口自动焊工艺M车和Tc车的%!&位端均装有空调平台!用于安装风机!从平台端板开孔向客室送新风平台开长方孔!用于客室回风1.3.2侧墙侧墙铝合金结构采用分块结构!侧门为塞拉门!侧窗采用美观时尚的连续窗带结构 每车侧墙分为1 0块!每块侧墙由7或8块铝型材组焊成形各型材之间采用V型坡口自动焊工艺1.3.3底架底架采用大断面铝合金挤压型材焊接结构!由地板边梁牵枕缓主横梁端梁等组成 其中Tc车驾驶室端部底架设置板梁结构!并加装防爬器!可满足车体驾驶室端部底架吸收高冲击能量要求底架设有顶车架车复轨用垫座!可用于拆卸组装修理装运以及救援的操作空气簧座用螺套和螺钉固定在枕梁上底架下平面滑槽供车下设备吊装使用 地板由7块铝合金挤压型材焊接组成!地板型材腔内填充防寒材!地板下表面喷涂隔声阻尼浆 各型材之间采用V型坡口自动焊工艺!牵引梁和缓冲梁采用的材料是7 0 0 5$T 6%!底架的其他部分均采用的是6 0 0 5 A$T 6%1.3.4端墙端墙采用的是板梁结构!由1 2m m厚的铝板和6 0 1 2 0的型材框组焊而成1.3.5 Tc车前端前端墙是由前端铝结构 玻璃钢外壳组成的流线型 前 端 其 中 玻 璃 钢 外 壳 上 开 有1个 风 挡 窗口$1 3 2 5(1 9 3 0%和2个直角三角形侧窗前端铝结构采用了插口式板梁结构!其中门立柱和门上横梁为冷弯铝型材!其它板梁采用了厚度为8 m m的铝板2车体结构计算机模拟计算一期工程车辆铝合金车体$M车!Tc车%属于开发的新产品!为保证该车设计顺利进行!须对其进行强度刚度和模态的计算机模拟计算!以检验设计方案的可靠性!并对须补强的部位进行优化设计2.1结构简介从受力的角度看!这是一个典型的薄壁筒形全承载结构图2 图5给出了用于创建有限元单元的三维网格几何图2 M车车体三维网格几何图3 Tc车车体三维几何图图4车头几何图图5车端有限元网格2.2计算程序计算使用的程序是I-d e a s$8.2%该软件集C A D与C A E成一体!建模效率高!求解迅速!后处理功能强大2.3计算模型2.3.1有限元网格划分基于I-d e a s强大的C A D功能!一期工程车辆用铝合金车体$Tc车!M车%计算模型用于划分网格的几何形状几乎全从设计图纸中各处厚度的中面提取 其中包括车顶 侧墙 底架等均用相对等厚度的薄壳元模拟!考虑到对称性!取二分之一结构为计算对象!当计算扭转和三点支撑工况时!则取整车作为计算模型2.3.2计算载荷电力机车与城轨车辆*2 0 0 5年第5期-3 2-应力架顶复扭应力三点 垂直合成合成部位车车轨转部位顶车 静载 载荷1载荷2牵引梁3 73 93 9!车钩座3 2 2 01 2 71 7 0腹板1牵引梁3 12 72 7!牵引梁腹板2 1 1 81 0 01 6 1腹板2枕梁腹板4 14 24 1!枕梁腹板2 8 3 44 67 5枕梁下3 83 73 3!枕梁下盖板4 1 5 45 11 4 0盖板枕梁上3 52 52 7!枕梁上盖板2 7 2 72 76 0盖板地板145 75 5!地板13 6 4 35 06 8地板23 56 96 4!地板24 2 3 84 87 9下边梁5 4 1 1 5 1 1 2!下边梁6 0 4 59 11 5 3侧墙窗角5 29 39 3 3 3大窗角1 3 8 6 01 4 28 9侧墙门角3 3 1 2 9 1 2 5!侧墙门角9 9 7 51 4 51 4 3空调机与1 25 75 5!空调机座5 2 2 66 96 9弯顶交角端梁1 72 82 3!端梁3 2 2 38 06 6头部结构2 1 1 3 9 1 3 7 2 9车头结构4 2 2 17 41 6 1根据 J I S铁道车辆车体结构强度试验方法#日$%和车辆采购合同要求&确定本次计算的基本载荷见表2表2计算的基本载荷2.4计算结果及其分析根据上述条件&在计算机模拟加载的情况下&Tc车与M车的各项指标如下(#1$垂向弯曲刚度 在垂直静载作用下&采用挠跨比不大于1/1 0 0 0来考查&侧墙下部侧梁的最大挠度Tc车为8.7 0 m m&M车为8.2 0 m m&均小于1 2.6 0 m m#车辆定距!1/1 0 0 0$相应的垂向弯曲刚度Tc车为4.7 9 0 1 01 4N)m m2&M车为5.9 6 8#1 01 4N*m m2&大于国内其它材质的B型车的弯曲刚度+#2$扭转刚度 在扭转载荷的作用下&Tc车与M车的相对扭转角!和扭转刚度分别为(Tc车(!$0.0 0 2 4 r a d&%3.3 4&1 01 4N*m m2/r a d,M车(!0.0 0 1 8 r a d&(3.6 8)1 01 4N*m m2/r a d扭转刚度大于国内其它材质的B型车的扭转刚度#3$模态分析 在整车模型的基础上&Tc车的车体垂直弯曲频率为1 4.4 H z&M车的车体垂直弯曲频率为1 5.8 H z&大于要求的1 2 H z,Tc车的车体扭转频率为6.9H z&M车的车体扭转频率为8.1H z&大于要求的4 H z 均满足要求#4$强度模拟计算结果表3&表4给出了每一计算载荷作用下Tc车和M车主要部位的高应力值根据表3和表4&得出Tc车与M车的各个重点部位的最大应力值如下(#1$合成载荷1工况#垂直总载+纵向拉$(Tc车的最大应力1 4 5 M P a发生在枕梁附近的侧墙上角处M车最大应力1 1 6 M P a发生在枕梁的大窗角处&都小于它的许用应力1 6 8 M P a,#2$合成载荷2工况#垂直总载+纵向压$(Tc车的最大应力1 7 0 M P a发生在缓冲梁车钩座上&小于它的许用应力2 3 2 M P aM车最大应力1 5 7 M P a发生在枕内 靠 近 枕 梁 中 部 的 地 板 上&小 于 它 的 许 用 应 力1 6 8 M P a,#3$Tc车防爬系统在合成载荷1工况下最大应力为1 4 4 M P a&发生在下平面&小于其许用应力1 6 8 M P a在合成载荷2工况下最大应力1 4 7 M P a&发生在上平面&小于它的许用应力1 6 8 M P a,#4$Tc车和M车的侧墙门角&在顶车和复轨工况下&应力较集中&但小于许用应力&在实际生产过程中&该处焊接了一小块补强板&降低了该部位的应力值,#5$其它工况下的各部位应力值都小于许用应力值2.5车头冲击计算为保证车头端部在特殊状况可以吸收足够的冲击能量&进行了模拟车体与刚性墙碰撞的数值仿真 为此&建立了专门适用大变形碰撞计算模型&车体结构质量按单元所在部位分布&载重则以质量块的形式分布朱圣瑞 等*武汉市轨道交通一号线车辆铝合金车体*2 0 0 5年第5期复轨载荷!F Z#M车$3 5 0/k N!F Z#Tc车$3 0 0架车载荷!C Z#M车$3 5 0/k N!J C Z#Tc车$3 0 0三点支承顶!S D#M车$2 1 0车载荷/k N!S D#Tc车$2 0 0扭转载荷M车3 9/k N*mTc车3 9合成载荷1!C Z*!y s合成载荷2!C Z+!l s垂向静载!C J#M车$4 1 0.4垂向静载!C J#Tc车$3 8 2.4垂向总载!C Z#M车$5 3 3.5 2垂向总载!C Z#Tc车$4 9 7.1 2压缩载荷!y s#M车$1 0 0 0压缩载荷!y s#Tc车$1 0 0 0拉伸载荷!l s#M车$7 5 0拉伸载荷!l s#Tc车$7 5 0!D C#M车$3 5 0!D C#Tc车$3 0 0静态纵向载荷/k N垂向载荷/k N顶车载荷/k N表3 Tc车各工况主要部位高应力值#M P a$应力架顶复三点 应力扭转 垂直 合成合成部位车车轨顶车 部位载荷 静载 载荷1载荷2牵引梁1 22 42 87牵引梁腹板1!1 79 71 5 0腹板1牵引梁1 83 13 9 1 2牵引梁腹板2!2 08 21 4 6腹板2枕梁腹板3 21 73 1 2 0枕梁腹板!3 54 47 7枕梁下2 72 83 5 1 8枕梁下盖板!5 66 78 4盖板枕梁上2 92 52 8 2 1枕梁上盖板!2 33 07 3盖板地板13 03 34 1 2 8地板1!3 75 11 5 7地板22 64 24 7 3 2地板2!2 94 36 5下边梁3 66 45 9 5 5下边梁!3 17 31 3 7大窗角3 15 15 8 7 4大窗角2 17 01 1 69 2侧墙门角5 8 1 2 1 1 2 0 1 0 7侧墙门角!5 69 91 4 7空调机座6 3 1 3 2 1 3 0 7 3空调机座!2 99 91 4 7端梁1 44 58 4 2 0端梁!2 03 84 6表4 M车各工况主要部位高应力值#M P a$-3 3-在适当的位置!初速度为3 6 k m/h!完成了仿真计算因碰撞是个连续过程!这里只给出3个时刻#见图6 图8$%图6为车头端部刚开始接触!吸收能量为0&图7为碰撞开始2 0 m s时刻车头端部结构变形状态!吸收能量约1 1 5 k J&图8为4 0 m s时刻车头端部结构变形状态!吸收能量约4 3 0 k J%这表明在车头端部与刚性墙接触开始变形后的3 0 m s左右!端部可吸收能量就可达到要求的2 4 0 k J%图6刚开始接触时车头端部结构状态图7碰撞开始2 0 m s时刻车头端部结构变形状态图8碰撞开始4 0 m s时刻车头端部结构变形状态通过对一期工程车辆的Tc车和M车的刚度(强度和模态分析和模拟计算!表明一期工程车辆的铝合金车体设计方案是正确的!能够满足技术条件要求!为下步的样车生产提供了理论基础%3样车测试在2 0 0 3年的8 9月份!分别对一期工程的Tc车和M车进行了各种工况下的刚度(强度和固有频率的样车测试!测试结果与计算机模拟计算结果较吻合!满足相关技术要求!以下为主要相关数据#1$车体刚度%在垂直静载情况下!车体中心的最大挠度为Tc车为6.9 8 m m!计算相当弯曲扭转刚度为6.5!1 01 4N)m m2!计算相当扭转刚度为2.1 1 01 4N*m m2&M车 为4.9m m!计 算 相 当 弯 曲 扭 转 刚 度 为1 0.0#1 01 4N*m m2!计算相当扭转刚度为4.5$1 01 4N*m m2%+2$强度%通过测试!Tc车和M车的各工况最大应力+如表5所示$均小于许用应力!满足要求%+3$车体固有频率见表6%上述测试结果!与计算机模拟计算结果较吻合!满足技术条件要求%表5 Tc车和M车的各工况最大应力表6车体固有频率频率/H z振型5.8 5一阶扭转M车1 7.4 3一阶弯曲2 7.0 3二阶弯曲4.8 0一阶扭转Tc车1 6.3 1一阶弯曲2 0.7 9一阶弯扭组合4结论和建议武汉市轨道交通一号线车辆全铝合金焊接车体是国内第一次自主研发的具有自主知识产权的铝合金车体!填补了我国国产城轨车辆无铝合金车体的历史空白%但铝合金车体在以下方面仍需要进一步研究+1$我国目前对城市轨道车辆用铝合金车体无明确标准!此次设计是参照国际同类标准进行的!但车辆的抗压和抗拉指标高于国际同类标准&+2$对铝合金车体的车钩中心高度应做进一步研究!在保证车体性能的前提下!进一步优化牵引梁(枕梁和缓冲梁的结构!优化车体与转向架之间的设备安装空间&+3$对铝合金车体采用鼓形结构应做进一步研究!在车辆整体美观性和车体较好的生产工艺性之间找到平衡点!从而优化车门安装工艺!降低车门系统故障&+4$在生产过程中!铝合金型材组成的车体的刚度明显比耐候钢车体(不锈钢车体的刚度要大!相对调修比较困难&+5$国内铝合金生产厂家应加强控制型材质量!保证车体的焊接可靠性%参考文献 1 张振淼.城市轨道交通车辆 M .北京中国铁道出版社!2 0 0 3.工况应力值/M P a位置许用应力/M P a垂直总载荷8 5Tc车侧墙门角1 6 88 2M车窗角1 6 8合成载荷21 7 1Tc车车钩座2 3 28 8M车车钩座2 3 2合成载荷18 2Tc车侧墙门角1 6 87 5M车窗角1 6 8扭转2 2Tc车侧墙门角1 6 82 7M车侧门柱1 6 8三点顶车2 3Tc车侧墙门角1 6 83 1M车侧墙门角1 6 8复轨6 2Tc车司机室结构1 6 86 2M车侧门柱1 6 8顶车2 6Tc车司机室结构1 6 85 9M车侧门柱1 6 8架车3 7Tc车下侧梁1 6 86 4M车侧墙门角1 6 8电力机车与城轨车辆*2 0 0 5年第5期-3 4-