中车唐山机车车辆有限公司 河北唐山 063035
摘要：随着我国城市化进程的不断发展，地铁已经成为为各大中型城市公共交通的关键部分。由于铝合金材料具有密度低、强度高、抗腐蚀性强，易挤压成型等特点，全铝车体地铁车已经成为我国地铁车辆的主流趋势。车体作为地铁车辆的主要承载结构，其结构性能的可靠性对于车辆的安全运行有着重要意义。因此需要具有高可靠性的铝合金车体及其联接结构来满足地铁车辆启停频繁、载重量大的运行要求。本文以某全铝头车车体为研究对象，基于有限元分析理论，对其进行刚度、静强度、模态、稳定性、疲劳强度性能分析。
关键词：静强度；车体；有限元
1有限元理论
有限元法是一种数值方法，线弹性平面问题是有限元法的基础。平面有限元分析的基本步骤是：首先进行结构离散，离散时要求保持单元之间正确的连续性，对每个单元和结点确定固定的单元号和节点号，然后通过弹性力学的平衡条件、物理关系、几何关系由结点位移分别求内部任一点的位移、单元应变、单元的应力、单元节点力，通过单元应力、位移及刚度矩阵之间的平衡方程求得单元刚度矩阵。再将每个单元刚度矩阵进行换码，换成对应的整体码，将换码后的字块送到整体刚度矩阵中的对应位置进行迭加，从而形成整体结构的刚度矩阵。根据能量等效原则进行载荷移植，遵循刚度矩阵形成的方式得到整体结构的结点载荷列阵，然后根据边界位移为零和边界位移为已知值的处理方法来进行约束处理，通过处理线性方程组的数值解法求解线性方程组，求得结点位移，由节点位移从而求得单元应变和单元应力。对于结构复杂的有限元均是在平面问题的基础上计算的。
2车体结构介绍
某地铁车体主要主要由司机室、底架、侧墙、车顶、端墙五部分组成。车体主要采用铝合金型材焊接完成，断面为中空挤压铝型材，底架地板由两侧通长边梁及中间五块铝型材组成，侧墙主要由五块不同铝型材组焊而成，车顶的高顶与平顶分别由通长型材组焊完成。其中侧墙型材连接处采用插接及搭接接口，每个侧墙设4个门口，门口两侧为立柱，立柱由型材加工而成。底架除地板型材外，牵引梁车钩座承载结构处）采用了铝合金型材，减少焊缝集中。枕梁和底架横梁也采用了铝合金型材，底架牵引梁下盖板、腹板及补强板均采用铝合金板材。底架与侧墙连接的下边梁及侧墙与车顶连接的上边梁均为通长铝合金型材。司机室骨架主要由方口铝管拼焊而成。端墙是由蒙皮与立柱组成的铝合金型材与横向槽型梁组焊结构。
3车体有限元模型
对车体建立有限元模型时，其主体结构采用二维薄壳单元shell181进行离散，其中也有少许细节需要注意。如圆孔的处理，除螺栓等连接孔保留外，其余的工艺孔、过孔（根据实际情况限定临界直径）及小型附属件的螺栓连接孔可忽略。对于保留的圆孔，直径D＜20mm，采用4节点或忽略，D≧20mm，至少6节点，如果对圆孔区域较为关注，建议采用10节点以上；不可出现奇数节点的孔，孔周围不可出现三角形单元。
整车模型主要采用薄壳单元模拟，较厚或形状复杂位置（如门角的补强角）采用实体单元模拟，车体设备采用质量点Mass单元模拟，与并通过Rbe3单元将相关悬挂设备置放于实际重心位置；按照质量分布状况，把车辆内置设备和乘客质量均铺于底架地板表面的相应区域；对有限元模型中不同类型的单元设置相关属性。武汉地铁车体有限元模型中单元总数为1679085，结点总数为1415386。
4车体静强度计算
依据标准EN12663-2010中有关车体结构屈服失效的相关内容，对于车体静强度的评定，车体各部件的应力必须小于或等于所选材料的许用应力。即以下式4.1所示：
料的屈服极限，n为安全系数，一般取1.0~1.5。
根据EN12663-2010标准可以判断盖地铁车体属于类别P-III，对该车体进行了8种静强度工况的计算，计算工况如下表4.1所示。
工况一：垂向整备载荷工况（AW0），工况二：垂向超员载荷工况（AW3），工况三：垂向超员载荷工况（1.3AW3），工况四：AW3 + 纵向车钩拉伸640kN；工况五：AW3 + 纵向车钩压缩800kN，工况六：AW0 +端部压缩（车身腰带高度）工况七：AW0 +端部压缩（上边梁高度处），工况八：架车工况，三点支撑工况（一个支撑点下降10mm），车钩复轨工况。
经过对车体进行以上工况的静强度计算，得到各个工况的计算结果，应力最大点出现在AW3状态下的车钩压缩工况，位置位于一位端牵引梁上盖板处，为127MPa，该结构材料为EN AW-6082A T6，该材料的许用应力为240MPa，满足设计要求。
5结论
本文首先介绍了有限元理论基础及车体结构，依据建模原则与三维几何建立有限元模型，然后依据EN12663-2010标准对有限元模型施加载荷工况，经过ANSYS计算得出各工况计算结果，应力最大值为127MPa，小于材料许用强度，满足设计强度要求
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