b型地铁轻量化不锈钢车体结构设计

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1、B型地铁轻量化不锈钢车体结构设计罗宝岳译新刘永强许晶晶中车株洲电力机车有限公司产品研发中心摘要：介绍了B型地铁轻量化不锈钢车体主要结构，并通过有限元分析法对车体进行了静强度、模态计算分析。计算结果表明，设计的车体强度、刚度能够满足相关标准和技术规格书要求。关键词：不锈钢;车体;轻量化;作者简介：罗宝，2009年毕业于东北大学机械电子工程专业，工学硕士，现从事城市轨道交通车辆车体研发工作。0引言随着经济的发展，地铁成为城市交通的主要运输工:R，节能减排越来越受到人们的重视，根据研究表明，如果减轻车体

2、10%重量，则运行能耗可减少6%。由此可见，减轻.午.辆自重，对午体进行轻量化设计，会给生产厂家和社会带来巨大的经济效益。不锈钢车体的防火、耐高温性能均高于铝合金车体，且无需涂装，更加环保，但是在重量方面，不锈钢车体较铝合金车体耍重11左右，因此不锈钢车体轻量化设计变的越来越重要。1车体结构设计1.1车体总体车体结构采用V形薄壁筒形整体承载全焊接结构，强度满足EN12663标准，纵向可承受800kN的压缩载荷和640kN的拉伸载荷，设计寿命为30年。车体由底架、侧墙、顶盖、端墙和司机室结构五部分组

3、成（见图1）。侧墙与顶盖、底架在外侧采用电阻点焊连接，内侧通过弧焊连接，简化丫部件间的连接结构。司机室结构与底架、侧墙和顶盖均进行了弧焊连接，形成了框架承载结构，改善了力流的传递路径，提高了车体整体承载能力，在实现一定轻量化的前提下，提高了车体结构的整体强度和刚度。在头车前端设罝防爬装罝提高车辆被动安全性，碰撞性能满足EN15227标准要求。本文设计的一种B型地铁轻量化不锈钢车体，主要从以下几个方面优化和减重：（1）优化各部件间的连接方式、简化连接结构，如减少碳钢边梁，端部结构直接与底架边梁相连。

4、（2）调整各部件梁的布置和板厚，尤其是侧墙纵横梁采用阶梯板厚进行设计，主要承力的梁采用2mm板厚，其他位置采用1mm板厚。（3）纵横梁采用插接弧焊结构，取消了连接板的形式，提高了车体的整体刚度和强度，减轻了车体重量，大大减少了焊点数量，提高了生产效率和外观质量。（4）端部结构采用高强度不锈钢材料取代丫碳钢材料，减少丫梁的板厚，并且无需涂装，减少了油漆成本，更加节能环保。图1车体三维模型下载原图1.2顶盖顶盖结构主要由顶盖骨架、波纹顶板及空调平台等儿部分组成（见图2）。顶盖骨架由顶盖边梁、侧顶板以及

5、顶盖弯梁等组焊而成。空调平台为整体框架结构，两侧搭接在侧顶板上，两端与空调连接弯梁满焊连接，空调安装平台设计为平台结构，且下方的横梁设置为屮间高、两侧低的整体折弯件，避免焊接变形及后续运行过程中出现空调平台下塌而出现积水现象，雨水和冷凝水直接流到雨檐排出，排水通畅。1.3侧墙侧墙设计为整体侧墙结构，包括侧墙单元、整体门框以及门上长梁构成（见图3）。侧墙单元主要由侧墙骨架和侧墙蒙皮等组成。为提高车体的刚度，侧墙骨架采用纵横梁插接结构，门框采用整体门框承载结构。图2顶盖结构下载原图整体侧墙。

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7、T鴻瘺鼴鏞JTJT/整体门框*图3整体侧墙结构下载原图1.4底架底架为无中梁结构，主要由T端端部结构、波纹地板、TT端端部结构、底架骨架等部分组成（图4）。底架骨架主要由底架边梁、端梁、底架横梁等组成。端部结构主要由牵引梁、缓冲梁、枕梁、端梁组成，在车体底架前端设有碰撞变形区域，并设有防爬器安装结构。II栖桶部结构一底架骨架。阁4底架结构阁下载原阁1.5司机室骨架及端墙司机室骨架由前端立柱及司机室顶部骨架组成。司机室顶部骨架提供安装座用来固定司机室通风单元及内饰顶板等部件。端墙结构由端墙骨架与端墙

8、蒙皮点焊而成，主要用来安装贯通道等部件。端墙骨架采用插接结构并弧焊连接，可以提供足够的支撑力。2仿真分析2.1有限元模型将车体三维中面模型全部离散成有限元网格。点焊和塞焊则采用BEAM188单元进行模拟。整个车体离散后，共计736714个节点，800875个单元，其中壳单元707971个，点焊单元24578个，塞焊单元432个，实体单元5777个，刚性单元2个，RBE3单元17个，质量单元62100个（其屮包括挂载设备和A装质量）。2.2模态分析对优化后的车体进行模态分析，分析结果表明:优化后车体

9、整备状态一阶垂向弯曲振动频率为8.31Hz,与国内外的地铁车辆基本一致，不会与转向架频率相耦合而产生共振，满足设计要求。v^**^/^*XV1/1按照技术合同协议及相关技术标准，车体设计载荷主耍采取欧洲标准EN12663-2010:铁道应用-轨道车身的结构要求U1及GB/T7928-2003:地铁车辆通用技术条件m。参照标准要求，该车车体共计算了22个工况，表1为几个典型工况下应力分析结果。表1典型工况应力分析结果下载原表序工况1AWO2AW3超载3AWO+800kN压缩4AW0+