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100%低地板有轨电车车体设计

2022/6/2    来源:Altair    作者:张相宁  李明高  刘宇  刘东亮  范乐天      
关键字:HyperMesh  有轨电车  仿真  
本文利用HyperMesh软件对车体强度、刚度进行仿真计算,并进行车体静强度试验验证,结果表明车体结构应力均小于材料许用应力,满足使用需要。
       100%低地板有轨电车是当今世界最先进的城市交通系统之一,爬坡能力强,能够通过小曲线(最小曲线半径达到 16m);在城市现有道路即可铺设线路,具有绿色环保、低噪声等特点,同时地板距轨面近,无需站台,最大运量是公交车的6~8倍,能够从容应对乘车高峰。

1 车体结构方案

       100%低地板有轨电车车体由底架、侧墙、端墙、车顶组成,整车为整体承载筒形断面,能充分利用限界并具有较强的承载能力。与其他地铁车相比,为适应低地板转向架,该车体枕梁处为十字梁结构,轮对上方采用车轮罩结构,车轮罩与车体采用结构胶粘接,一方面能满足载客量要求,另一方面枕梁处可通过自身变形向车体两端传递载荷以释放应力,车轮罩与车体的弹性连接使其具有更高的疲劳强度,提高了车体寿命。车体尺寸:头车9200mm(长)×2650mm(宽);中间车7800mm(长)×2650 mm(宽)。

车体总成

图1 车体总成

       车体主要是由铝合金大断面中空挤压型材焊接而成,挤压型材材料为6000系铝合金,主要使用6005A-T6铝合金,部分结构使用6082、6008铝合金,各种牌号材料强度数据均满足欧洲标准EN 755-2—2008《铝和铝合金挤压棒材、条材、管材和型材》的要求。

2 车体结构设计

       由于100%低地板有轨电车载客量大,且车辆起停间隔短,其车体设计强度和刚度需达到更高水平,同时要保证轻量化设计。由于大多数铝合金型材的屈服应力为215MPa,而焊缝及其热影响区的许用应力仅为115MPa,因此在车体设计时尽量减少焊缝数量,如将车轮罩设计为与车体全粘接结构,此粘接结构可通过胶的变形应对和抵御车辆运行时枕梁区域变形,大幅提高接口的抗疲劳能力。

       2.1 底架设计

       底架由中部地板、端部地板、端梁和过渡梁等焊接而成,底架背部焊接有转向架装配需要的各种吊座及电气、制动布线布管需要的C形槽。为了方便乘客特别是老幼病残人群上下车,在底架设计时进行了以下改进:

       (1)底架正面在端部地板与中部地板的衔接位置存在6%的坡度,长1m,高度差60mm,该坡度满足 VDV 7011 中关于残疾人轮椅爬坡能力的标准要求。

       (2)在中间窄地板(地板组成三)与端部地板组成焊接位置以补强角进行补强,弥补宽度突变造成的刚度不匹配,提高该区域的强度。

       (3)底架端梁型材设计考虑了底架端部与铰接及风挡渡板系统接口。底架端梁型材自带一个型腔,开孔后即可安装下铰;底架端梁型材端部尺寸满足渡板磨耗块及渡板安装后与客室地板相平的要求。

       (4)为避让转向架静态及动态限界,底架在转向架轮对区域无任何结构。

       (5)底架整体刚度小,在二系弹簧安装座两个点进行支撑,承载后变形较大,中间区域变形后通过过渡地板向两端传递载荷,实现整体承载。

       (6)底架在过渡梁与端部地板处设置地板连接梁,搭接结构,实现底架纵向调节,保证底架总成后长度在公差允许范围内。

       2.2 侧墙设计

       为适应轻轨车门窗布置密集、尺寸大的特点,侧墙采用门、窗立柱形式,结构简单,加工量小,另外具有如下特点:

       (1)侧窗安装、门安装需要的台阶均由侧墙上下型材及门窗立柱型材型腔加工后自然形成,工艺性好。

       (2)门角、窗角等高应力处均由侧墙型材型腔加工后形成,采用大圆弧过渡,使焊缝远离高应力区域,提高了门角和窗角的抗疲劳能力,免去了补强结构。

       2.3 车顶设计

       车顶由中顶焊接和车顶边梁焊接而成。中顶焊接由型材插接而成,中顶焊接与车顶边梁搭接,便于调整车顶总成宽度。车顶可承受车顶设备质量及维修和安装设备人员的质量。因中顶不承受车顶设备质量,对其进行了减重设计,壁厚2.5mm,立筋。头车及中间车车顶组成质量(含小件)均在650kg左右。

       2.4 端墙设计

       端墙由车顶端梁、端门上横梁及端墙板组成,车顶端梁上设置有固定铰上铰和转动铰上铰安装的接口。端墙具有如下特点:

       (1)端墙由 85mm 厚型材焊接而成,结构简单,制造简单;

       (2)端墙焊接后平面度及外观质量高;

       (3)端门上角等应力集中区域采用大圆角过渡,为母材加工而成,焊缝远离应力集中区域,免去了补强结构;

       (4)端门口轮廓按照内装及内风挡要求设计为月亮门形式,新颖美观;

       (5)中间车一二位端墙上方均设置排水孔,头车二位端设置排水孔;

       (6)为了安装风挡,端墙外壁需要钻孔安装螺纹接头,壁厚为7mm。

3 车体有限元分析

       3.1 计算规范

       计算主要依据EN12663-1:2010《铁路应用 轨道车辆车体结构要求 第一部分:机车和客车》要求,并参考德国标准VDV152,在各种工况下车体结构应力均不得大于材料的许用应力。

       3.2 计算模型与工况

       利用HyperMesh软件对车体模型进行建模。以两节车为分析对象,铝合金车体主要采用壳单元模拟;两节车间的连接铰采用“刚性元+JOINT单元”模拟,模拟上方铰链的JOINT设置纵向与横向刚度,下方铰链的JOINT设置纵向、横向、垂向刚度;车钩安装位置设置刚性单元(rbe2);转向架安装接口处设置rbe3单元;除去铝合金车体质量外,整备状态车体的其他部分质量采用质量单元分布于壳单元节点上。车体有限元计算模型见图2。计算工况见表1。

车体有限元计算模型

图2 车体有限元计算模型
表1 计算工况

计算工况

计算工况


       3.4 强度与刚度计算结果

       各种工况下的计算结果表明,车体结构的计算应力均小于材料许用应力,满足EN 12663-1:2010中关于强度的要求。

       在工况LC03最大垂向载荷下,车体最大垂向位移约为27mm,车体中间位置的垂向位移约为22mm(见图3),满足刚度设计要求。

车体中间位置垂向位移

图3 车体中间位置垂向位移

       3.5 模态分析

       表2为整备状态车体的前10阶模态,其中第3阶模态为车体一阶垂弯,其固有频率约为5Hz;第4阶模态为车体一阶扭转,其固有频率为5.9Hz。
表2 模态的固有频率

模态的固有频率


4 试验验证

       利用车体静强度试验台、静态数据采集装置、称重传感器、应变式位移传感器、应变片和应变花等试验设备对车体进行试验(见图3),结果表明:100%低地板有轨电车车Altair 2017技术大会论文集体结构的应力均小于材料许用应力,满足EN12663-1:2010标准关于静强度的要求。

100%低地板有轨电车车体静强度试验

图3 100%低地板有轨电车车体静强度试验

5 结束语

       100%低地板有轨电车车体设计充分了考虑运营过程中的可靠性、维护和维修的便利性、节能环保性、人机工程界面、产品功能、外形内饰和车辆与线路、站台、建筑、通信等的外部接口对车体结构的影响,并通过强度计算及试验证明,此车体能够适应100%低地板有轨电车的运营需求。
责任编辑:程玥
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