磁懸浮列車車體靜強度分析與優(yōu)化方案

磁懸浮列車國產(chǎn)化車體靜強度分析與優(yōu)化方案趙雙敬劉東軍（唐山軌道客車有限責任公司河北唐山063035）摘要：本文對本公司最近研制的磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)在不同工況下進行了靜強度計算分析，并根據(jù)計算結(jié)果對車體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，提出切實可行的優(yōu)化方案，并對以后磁懸浮列車國產(chǎn)化結(jié)構(gòu)設計提供了一個新的思路。關鍵字：磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)有限元分析靜強度一概況德國從20世紀70年代早期就開始開發(fā)磁懸浮技術(shù)，經(jīng)過30年的持續(xù)努力，現(xiàn)在，德國的磁懸浮技術(shù)已可用于商業(yè)運營。之后美國，日本，韓國相繼研制成功，并投入運營，我國從2002年引進德國技術(shù)，并在上海磁懸浮示范線成功運營，之后就開始磁懸浮技術(shù)的研制，并逐步實現(xiàn)磁懸浮技術(shù)的國產(chǎn)化，磁懸浮列車車體是磁懸浮列車技術(shù)中的核心技術(shù)之一，我公司一直致力于磁懸浮列車技術(shù)的開發(fā)、研制、國產(chǎn)化研究。目前，我公司針對上海示范線磁懸浮列車最新形式進行研制生產(chǎn)，其中本文對列車車體結(jié)構(gòu)在不同工況下的情況進行了靜強度分析，并在此基礎上提出結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，促進了磁懸浮列車的國產(chǎn)化進度。二磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)簡介最新研制的磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)主要包括底架、側(cè)墻、平頂、圓頂和端墻，設計重量為3.1t，每米承載量為200kg。車體結(jié)構(gòu)三維模型如圖1REF_Ref248220610\h錯誤!未找到引用源。所示：圖1磁懸浮列車車體三維模型三車體結(jié)構(gòu)靜強度分析計算載荷和強度評估方法按照《EN12663-2000鐵道應用--軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》，有限元建模及結(jié)構(gòu)應力計算分別采用Hypermesh及ANSYS軟件完成。本次計算的磁懸浮車體所有的型材全部采用ENAW-6005A-T6材料，所有板材采用ENAW-5083-H111材料，車鉤座為ENAW-6005A-T6材料，滑臺為ENAW-5083-H111材料，本次計算沒有蜂窩結(jié)構(gòu)。車體所用材料及其參數(shù)見表1。表1車體各主要部件材質(zhì)、板厚及其力學性能參數(shù)材料狀態(tài)厚度強度極限彈性極限非焊縫區(qū)焊縫區(qū)非焊縫區(qū)焊縫區(qū)ENAW-6005AT6實心擠壓型材t5mm2701652251155mmt10mm26016521511510mmt25mm250165200115T6空心擠壓型材t5mm2551652151155mmt15mm250165200115ENAW-5083H1110.2mmt50mm275275125125H3210.2mmt40mm305275215125根據(jù)計算任務書要求，本報告主要計算分析了10種工況，具體計算工況如下所示：對第一次改進的模型再次進行計算，由表4結(jié)果顯示地板連接處應力值在120MPa左右，比焊縫的許用應力值稍微偏高，再次對模型進行了改進，改進方案為：將類似中梁的地板型材和滑臺連接；將圖中紫色的過渡連接梁的壁厚改為2.5mm；在端部下蓋板上增開工藝孔；將門角進行了補強，具體補強方案如圖3和圖4所示。連接梁門角補強過渡連接梁連接梁門角補強過渡連接梁圖3增加連接梁圖4上門角補強對第二次改進的模型進行計算，結(jié)果顯示C型槽與連接梁立板連接焊縫處最大應力為118MPa，上門角處最大應力值為125MPa，下門角處最大應力為117MPa，略大于焊縫的許用應力115MPa。因此對模型進行了第三次改進。將連接梁立板的厚度加厚為10mm，上門角補強板增大為80mm，厚度降低為6mm。下門角內(nèi)側(cè)增加60mm的補強板。修改后的模型如下圖所示：圖5下門角內(nèi)側(cè)補強圖6上門角補強對第三次改進的模型進行計算，改進后的模型最大應力位置及最大值如表5所示：表5第三次改進后的模型第三次改進后的模型最大應力位置及最大應力值工況應力位置最大應力值工況應力位置最大應力值1112MPa6112.4MPa289.6MPa7114.3MPa395.25MPa845.8MPa4109.6MPa940.2MPa589.2MPa1016.2MPa計算結(jié)果表明，經(jīng)過第三次優(yōu)化后的車體模型最大應力值為114.3MPa，小于車體焊縫許用應力值115MPa，滿足設計要求。五結(jié)論1，原結(jié)構(gòu)在工況下1、工況2、工況6、工況7下車體底架與底板局部應力最大值為179MPa，在工況3下，門角局部應力最大值為232.4MPa，大于焊縫材料的許用應力115MPa，不滿足設計要求。2，第一次改進的模型在顯示地板連接處應力值最大為123.8MPa左右，比焊縫的許用應力值稍微偏高，需要進一步改進。3，第二次改進的模型在C型槽與連接梁立板連接焊縫處最大應力為118MPa，上門角處最大應力值為125MPa，下門角處最大應力為117MPa，略大于焊縫的許用應力115MPa。因此對模型進行了第三次改進。4，經(jīng)過第三次優(yōu)化后的車體模型在10種工況下的最大應力值為114.3MPa，小于車體焊縫許用應力值115MPa，滿足設計要求。參考文獻：1，維龍,高建平,曹霞,等.磁懸浮列車鋁合金車體制造及焊接工藝研究[J]．城市車輛,2001(5):40-42．2，黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京:清華大學出版社,2005．3，黃明星,葉云岳,方攸同,等.磁懸浮試驗線運行車輛的結(jié)構(gòu)設計與分析[J].浙江大學學報(工學版):2008(5):805-8094，肖守訥,沈安林,陽光武,等.中低速磁懸浮車體的結(jié)構(gòu)特點及其分析[J].中國科技論文在線:2010(10):803-8065，常樹民,馬紀軍.鋁合金車體結(jié)構(gòu)設計構(gòu)思[J].鐵道車輛:2004,42(9):9-13.6，海邦君.鋁合金車體設計研究[J].鐵道車輛:2003,41(10):26-28.7，周建樂,王軍.地鐵車輛鋁合金車體的設計[J].城市軌道交通研究:2000(2):53-56.8，張