某地铁车辆司机室车门的优化与强度分析

某地铁车辆司机室车门的优化与强度分析

于淼航 陈博文,孙权

中车大连机车车辆有限公司     辽宁大连      116022

摘要：

基于某城市轨道Tc车的车体结构，采用有限元分析方法，通过HyperMesh软件建立车体有限元模型。在计算阶段，按照EN12663-2010标准设置城轨车辆的载荷工况等参数，利用ANSYS软件对车体结构强度进行计算并校核。经分析，优化之后的车体性能均满足要求，同时完成了车体轻量化，最终实现了新型城市轨道Tc车的车体结构优化设计。

关键词：城轨车辆；有限元分析；结构优化；强度计算

1.引言

我国城市轨道交通行业发展潜力巨大，如今我国正在大力推进城市轨道交通的研发、生产、运营、基建等多方面的发展方向，市场需求度大幅度提高[1]。城市轨道交通更为民生所关注。在城市轨道车辆的设计中，对车体结构的强度分析以及优化设计不仅关系到运行过程中的安全性和舒适性，还影响着铁路运营的经济效益[2][3]。本文将优化设计理论贯穿全文，以某型城市轨道Tc车为研究对象进行司机室车门优化设计，寻找车体轻量化的最佳设计方法，为生产实际提供一定意义上的指导。

2.结构参数与模型

车体结构材料与参数见表2.1，表2.2。

2.1 车体结构材料

表2.1 车体结构材料

2.2 车体技术参数

表2.2车体技术参数

2.3 仿真模型介绍

在增大车门尺寸，减轻车体重量的同时，也要保证车体的静强度与疲劳强度符合要求。为了满足结构强度现对车体提出3点结构改进1）增长横板长度；2）增加楔块厚度；3)提升横梁高度。

以上改进的目的是使横板1的力传递到横梁3上，避免应力集中。增大厚度可以减小司机室门角处的应力。

3 计算标准及对比分析

3.1 计算标准

BS EN 12663-1:2010 Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodies

BS 7608:2014 Fatigue design and assessment of steel structures

使用累计损伤方法进行疲劳寿命的评估，对于某个确定的焊缝及母材连接部位，取相应S-N曲线上1E7周期处的疲劳容许应力范围值如表3-1所示，根据公式3.1计算其累计损伤并叠加，小于1即满足疲劳强度要求。

表3.1 S-N曲线参数

累计损伤计算公式如下：

            ；

                                             （3.1）

 , and 取值如下：

3.2 各工况及载荷

根据EN12663-1:2010标准要求，表3.2列出了刚度、静强度及疲劳强度计算工况及说明

表3.2静强度工况说明

注：M1 为车体整备状态质量，MAW2为定员质量，MAW3为超员质量

3.3 司机室门角静强度对比

以工况4为例进行改进前后司机室门角处的静强度分析，结果如图3-1所示。

结果显示优化前司机室门角静强度最大值为353.4MPa，优化后司机室门角静强度最大值为319MPa，而车体表面蒙皮的材料屈服强度是350MPa。将静强度结果与表2.1材料屈服强度对比分析，可以发现如果只增大司机室车门尺寸不做结构优化司机室门角的静强度是不符合要求的。在进行如图2-2的结构改进后结构强度符合要求。

4. 整车结构强度分析

4.1 静强度分析

4.1.1 刚度

图4-1 车体刚度位移云图

4.1.2 静强度分析

4.2 疲劳强度分析

4.2.1 垂向疲劳工况

4.2.2 横向疲劳工况

4.2.3 纵向疲劳工况

图4-9 纵向应力云图

4.3小结

在垂向最大载荷条件下，车体边梁垂向位移最大7.7mm,小于车辆定距的1‰（12.6mm），刚度满足设计要求；

对上述6个静强度工况计算结果做以下归纳，表4.1列出了各工况下最大应力及其位置，从表中可以看出，车体结构在各个静强度工况下强度均满足EN12663标准要求；

表4.2列出了各疲劳工况下焊缝和母材的累计损伤，从表中可以看出，车体结构在各个静强度工况下强度均满足EN12663标准要求。

表4.1不同规格不锈钢的主要力学性能

表4.2焊缝和母材的累计损伤

5. 结语

通过对改进后的司机室车体结构进行有限元分析，车体的刚度，静强度，疲劳强度均符合要求。通过对于轨道车辆的司机室的设计改进，不仅可以降低车辆的自重，减少材料消耗和削减成本，还能够提高工作性能。结构优化设计已经成为了轨道车辆研发设计中的一个重要组成部分，更加受到从事车辆工程行业的技术人员们关注。

参考文献

[1]刘琦. 基于大部件标准动车组铝合金车体结构轻量化研究[D]. 北京交通大学, 2017.

[2]中共中央国务院印发《交通强国建设纲要》[A]. 中国仓储与配送协会.2020中国仓储配送行业发展报告（蓝皮书）[C]. 中国仓储与配送协会, 2020: 10.

[3]单婷婷. 车身参数化轻量化设计与评价方法研究[D]. 吉林大学, 2013.