铝合金地铁车牵引梁结构建模策略对比研究

郭红玲,于春洋,刘春艳,张晓松,薛宁鑫

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车系统集成工程技术研究中心,吉林 长春 130062)

车体作为轨道车辆的主要承载结构之一,是各类功能部件安装的载体,同时承受车钩、转向架、减振器等部件传递至车体的载荷以及线路、外部环境的随机载荷。以应用广泛的EN 12663-1:2010+A1:2014[1]标准为例,该标准规定了车体应该能够承受的静载荷和疲劳载荷。静载荷包括车钩载荷、最大超员载荷、端部压缩载荷、设备冲击载荷等;疲劳载荷包括牵引制动载荷、横向振动载荷、垂向振动载荷、设备振动载荷等。

在车辆设计阶段,首先通过有限元法对车体的结构强度进行分析,分析结果满足设计标准之后,试制样车进行物理样机试验。仿真分析与物理样机试验结合的设计方案可大幅减少车辆的试制成本及设计周期。开展车体有限元分析的重要前提是保证车体有限元模型的建模精度。刘春艳等[2]以某城市轨道客车车体为研究对象,通过有限元分析法分析得到车体的薄弱环节,再通过车体静强度试验对有限元分析结果进行验证。经过对比发现两种方法的分析结果误差在可接受范围之内,并从加载的边界条件、测点位置、模型的一致性角度对建模和静强度试验提出了建议。王青权等[3]以某铝合金B型地铁车辆M车车体为研究对象,对其静强度特性进行分析,仿真和试验结果显示,轨道交通车辆铝合金车体整体安全系数较大,但车门角、车窗角等区域应力集中较明显。因此,设计时应重点考虑轻量化及应力集中区的局部强度问题。谢素明等[4]对比分析了某铝合金材质地铁车的仿真分析结果和试验数据,并对仿真分析数值与试验数值相差较大的评估点进行了模型修正。同时认为圆孔区域应进行单元细化并避免三角形单元,对局部刚度有贡献的结构都应该进行建模。模型修正后,各评估点的计算误差均小于10%。李晓峰等[5]采用壳单元和实体单元建立了铝合金动车模型,分析结果显示,车钩座区域、地板补板区域的应力结果有一定偏差,牵引梁区域应力结果基本无偏差。因此建议在采用壳单元建模时,对上述偏差较大区域的安全系数应适当提高。

牵引梁是承载车钩载荷的主要结构。本文以铝合金地铁车牵引梁区域为研究对象,针对牵引梁与地板之间的安装特点,采用两种不同的建模方案建立牵引梁与地板之间的焊接关系。将车钩拉伸、压缩载荷工况下该区域的分析结果分别与试验值进行对比,分析两种建模方案的差异性和适用性。

1 铝合金地铁车牵引梁结构

铝合金地铁车的牵引梁由铝合金板材、型材焊接组成。牵引梁整体呈鱼腹状,是车辆之间实现连挂的安装载体,同时承载车辆之间的牵引力、制动力。某铝合金地铁车的牵引梁结构示意图见图1,该结构主要由牵引梁下盖板、牵引梁立板、车钩座、牵引梁上盖板、地板型材和枕梁组成。牵引梁下盖板、牵引梁上盖板为异形板件,在设计时通常采用多个板件组焊而成;车钩座由中空型材拼焊组成。为了在牵引梁的薄弱位置合理布置加强筋,可根据牵引梁的组焊工艺、应力分布、使用功能等因素合理设置工艺孔、减重孔、走线孔等。牵引梁结构整体与地板型材、底架端梁、枕梁焊接固结于车体底架端部。

1—牵引梁下盖板;2—牵引梁立板;3—车钩座;4—牵引梁上盖板;5—地板型材;6—枕梁图1 牵引梁结构示意图

铝合金材料的机械性能不同于碳钢、不锈钢等金属材料,铝合金材料焊接热影响区的屈服强度与材料本身相差较大。依据BS EN 1999-1-1: 2007 +A2:2013标准[6],常用铝合金材料的热影响区屈服强度约为母材的50%～70%。同时,不同厚度、挤压成型工艺(如:中空型材、开口型材)的铝合金材料的屈服强度也有所差异。因此合理地布置焊接位置对车体的结构强度至关重要。表1列出了本文所研究的牵引梁结构材料基本属性。

表1 牵引梁材料基本属性

2 建模方案及载荷工况

2.1 建模方案

在工程上,铝合金车体主要由薄壁中空铝型材和板材焊接而成,因此建立车体有限元模型时主要采用四节点壳单元建模,对于具有复杂造型的安装座采用四节点实体单元建模。如图2所示,牵引梁上盖板与地板之间采用环角焊缝固结。牵引梁上盖板与地板采用壳单元(图中双点画线条示意)建模时,两部件之间形成空间间隙。在车体实际结构中,牵引梁上盖板与地板之间为接触关系。

图2 牵引梁上盖板与地板关系示意图

对于上述结构关系,本文提出两种有限元建模方案。方案1:牵引梁上盖板与地板之间的焊缝采用壳单元模拟,两部件之间的空间间隙不建立接触关系[7]。方案2:牵引梁上盖板与地板之间的焊缝采用壳单元模拟,并在两部件之间的空间间隙采用Rigid单元建立位移耦合关系。两种方案的牵引梁模型见图3。

(a) 方案1

2.2 载荷工况

根据牵引梁的结构特点,该结构对车钩载荷最为敏感,因此本文采用车钩载荷工况验证两种有限元建模方案的差异性和适用性。依据EN 12663-1:2010+A1:2014标准中5.2.3部分的分类规则,地铁车辆为P-Ⅲ类车辆。6.2.2部分则规定了不同类型车辆的车钩载荷,车钩载荷工况见表2。

表2 车钩载荷工况

3 车钩载荷工况静强度试验

3.1 试验方案

铝合金地铁车的车钩载荷工况静强度试验在车体强度试验台上开展。该试验台采用液压加载,具备2 000 kN的纵向载荷加载能力,满足本次试验要求。

为验证两层板件结构建模方案的适用性,本文在牵引梁的两层板件结构位置和远离两层板件结构位置确定6个测点,见图4。在牵引梁的两层板件结构位置布置4个测点(5031、5032、5034、5035),分别位于牵引梁上盖板与牵引梁立板的焊缝终止位置、焊缝中间位置(图4(b)、图4(c))。在远离牵引梁的两层板件结构位置布置2个测点(5033、5036),分别位于牵引梁下盖板与牵引梁立板的焊缝终止位置(图4(d)、图4(e))。6个测点均采用单向应变片,应变片方向与焊缝走向一致。

3.2 试验结果

为减小试验误差,每个工况加载三次取平均值,试验结果见表3。6个测点均位于热影响区, 测点5031、5032、5034、5 035的屈服强度为125 MPa,测点5033、5036的屈服强度为155 MPa。由试验结果可知,6个测点在车钩载荷工况下的应力均小于屈服强度,满足EN 12663-1:2010+A1:2014标准对车体结构的静强度要求。

表3 车钩压缩和拉伸工况测点试验值 MPa

4 试验值与仿真分析值对比

本文采用2.1部分确定的两种有限元建模方案分别计算测点位置在车钩载荷工况下的应力值。开展试验值与仿真分析值对比时,应注意以下事项:①有限元模型的焊缝分布、材料属性、边界条件应与试验一致;②提取有限元结果的位置应与试验测点位置一致,并且区分壳单元计算结果的TOP面与BOTTOM面,与应变片位于同侧。

两种工况下不同建模方案的测点应力对比见图5。对比两种有限元建模方案, 方案1的分析结果均大于试验值,方案2的分析结果部分大于试验值,部分小于试验值。方案1的计算结果更保守。

(a) 车钩压缩工况

对比不同位置测点的应力结果,方案1、方案2在牵引梁的两层板件结构位置,4个测点的方向应力与试验值的误差分别为9%～21%、7%～52%;方案1、方案2在远离牵引梁的两层板件结构位置,2个测点的方向应力与试验值的误差分别为4%～13%、8%～18%。在牵引梁的两层板件结构位置,方案1的分析误差更小。在远离牵引梁的两层板件结构位置,两种方案的分析误差接近,但方案1的结果更精确。

5 结论

本文针对铝合金地铁车牵引梁结构与车体底架之间的安装特点,提出两种不同的建模方案,将6个测点的仿真分析结果与试验值进行对比,得到以下结论:

(1)采用壳单元模拟牵引梁与地板之间的双层板件结构的焊接关系(方案1)比采用Rigid位移耦合单元(方案2)保守,方案1更适用于设计阶段校核车体结构强度。

(2)对于牵引梁与地板之间的双层板件结构位置的测点,两种方案的方向应力分析结果与试验值的误差分别为9%～21%、7%～52%,方案1的建模方案更合理;远离牵引梁与地板之间的双层板件结构位置的测点,两种方案的方向应力分析结果误差分别为4%～13%、8%～18%,两种方案的分析误差接近,但方案1的结果更精确。