地铁铝合金车体轻量化设计与结构设计

曹志浩

（青岛中车电气设备有限公司，青岛 266000）

铁道运输中，对车体的刚度有着很高的要求，现阶段车体材料采用铝合金。这样不仅能保障车辆的强度，也符合轻量化设计的要求。文章介绍一款轻量化设计的B型铝合金鼓形车体，用有限元模型对设计的结构强度作出了分析。

1 铝合金车体的轻量化设计

铝在地壳中的含量非常高，但强度较低，经过合金化后，强度会得到显著的提升。同时相比于钢结构，铝的密度较低，因此铝合金在生产中得到了广泛的应用。铝合金车体设计过程中要注意到车体的刚度问题，为了保障弯曲刚度，选取断面系数要是钢的3倍，设计中要充分考虑到铝合金的断面高和板厚度。铝合金车体中各个零部件的连接中有焊接和铆接等结构。其中，焊接的难度较大，操作起来较为复杂，容易产生较大的热应力[1]。

2 车体结构设计

该轻量化车体设计中，是由底架、车顶、侧墙和司机室骨架等构成的，采用铝合金全焊接的结构。设计中的长度是19300mm，高度是3687mm，最大宽度是2800mm，门间距是4450mm，车俩定距为12600mm，车身自重为6.6吨[2]。

2.1 主体结构型材设计

车体主体结构占总质量的80%，设计中采用了大断面中空型材，包括了车顶边梁、门立柱和底架地板等。车体焊接使用MIG焊，铝合金厚度的减小，会增加其焊接的难度。在该设计中，为了保障焊接的安全程度，主体结构中保障了型材的厚度。通常状况下，车顶边梁中用到大断面、厚度较大的筋板时，会造成车顶重量增大。该设计中为了防止重量过大，对筋板的数量进行了科学的调控。结构设计中对空调梁进行了单独设计，焊在长梁上，在一定程度上节省了材料。

侧墙板型材断面用三角形截面，内筋板2到3mm，外壁为3到4mm，保障了侧墙平面程度。底架边梁内筋板厚度是3到4mm，外闭厚度在5mm左右，对底架的结构强度作出保障。长地板中分布较多的U形槽，增加长地板的设备悬挂能力[3]。端墙设计中采用整体的型材，以满足其稳定性要求。

2.2 司机室结构设计

司机室骨架结构要有一定的强度和空间，并且要匹配头罩，留出安装空间。该设计中采用到流线形，对主横梁和支撑立柱进行设计时，增加了两者的焊接长度，预留出头罩粘接区域。焊接的区域避开门立柱的折弯区。司机室内，主横梁发生纵向挤压时，会引起门立柱发生变形。为了防止门立柱出现变形的状况，就要对来自主横梁的纵向力进行分散。设计中将主横梁和纵梁相接，使得纵向力传递到车顶，在纵梁弯曲的前段设计三根弯横梁，使得向门立柱的上方进行传力。弯横梁设计中，掌握好弯曲半径、撑板和U型材截面[4]。

3 有限元模型

该设计中，按照车体型材和板材的厚度，利用仿真软件，将三维模型简化成几何中面，离散为网格模型。模型中有196687个节点，壳单元有250688个。其中包括了245329个四边形壳单元，5357个三角形壳单元和2个刚体单元[5]。

根据相关的标砖，对铝合金车体的结构强度进行考核。考核工况包括AWO空载工况、AW3超载工况，客室站立区域每平方米站9人、AW3超载空载工况下+800kN压缩力、带点转向架四点驾车，单个转向架5.75吨、牵引梁三点驾车，垂向AWO，一顶车点放开垂向约束、AWO空载工况下+纵向300kN的前窗压力和AW空载工况下+纵向300kN后端墙压力等。

通过对工况结果进行分析，发现在AW3超载工况下，底架边梁的最大垂向位移是7.3mm。按照相关的《地铁车辆通用技术条件》规定，在最大的垂直载荷的作用下，车体静挠度不超过两转向架支撑点距离的1%‰，该设计中的两转向架支撑点距离是12600mm，说明该设计车体符合刚度要求。按照设计工况出现概率和重要度对安全系数进行判断。当车体运营乘客的时候，安全系数就较高，为1.3，复轨架车工况等的安全系数相对较低，为1.1。但是因为材料以及制造工艺的差别，算出的结果和相对的安全系数有一定裕量[6]。

4 模态分析

利用模态分析能计算铝合金车体的固有频率，确定车体的振型。两者是承受动态载荷结构设计的主要参数。模态能对结构整体或者局部的刚度作出判断。为了使车体刚度得到提升，车辆符合刚度要求，减小因为外界激振产生的不良动态响应。模态分析中用质量块模拟设备重量，加载在车体，使用拉格朗日算法。在进行计算时分为空车自由模态和整备状态自由模态。

一般状况下，转向架的振动频率在4到6Hz之间。该设计的铝合金车体整备状态下一阶垂向弯曲频率是9.82Hz，是转向架振动频率的1.6倍，和转向架不会发生激振现象，符合相关的设计要求。

综上所述，文章中设计了B型铝合金车体，通过有限元模型对还车体作出了分析，结果说明该车体的强度、刚度等方面都符合相关的要求。该车体的轻量化设计和司机室的骨架结构为B型地铁鼓形铝合金车体的设计作出了参考。