（光学工程专业论文）城市轨道车辆不锈钢车体结构优化研究.pdf

学位论文版权使用授权书嘲 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和 借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 秘 签字日期：u 年月矿日 签字日期：莎年多月墨日 城市轨道车辆不锈钢车体结构优化研究 s t u d yo fs t r c u t u r eo p ti m i z a t i o na b o u tt h e s t a i n l e s s s t e e lc a r b o d yo fu r b a nr a ilv e h i c l e s 作者姓名：龚明 导师姓名：孙守光 学位类别：工学 学科专业：车辆工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 学号：0 8 1 2 1 8 5 9 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：结构可靠性 致谢 首先感谢我的导师孙守光教授，本论文是在孙教授的悉心指导下完成 的，从论文的研究方向选取和研究内容都给予了具体指导，倾注了大量的心血。 导师严谨的治学态度、渊博的知识、深厚的学术修养和创新精神、雷厉风行的 工作作风使我受益匪浅，在此表示深深地谢意和真挚的敬意! 在学习和完成论文过程中，一直得到了李强教授的热情、耐心指导和帮助， 在整个学习阶段，还得到了缪龙秀教授、刘志明教授和王文静副教授的无私帮 助，在此一并表示衷心的感谢! 不锈钢车体的优化发展中，需要很多人员共同的努力，公司的各位设计师 和工艺师在不锈钢车体的结构优化方面提出了许多宝贵的意见，感谢他们的辛 勤劳动! 感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够专心完成这份学业。 摘要：不锈钢材料由于具有高强度、耐腐蚀的特点，早在二十世纪中期就 被应用于铁路车辆制造中。近年来，随着材料技术和焊接工艺的快速发展，不 锈钢车体已广泛应用于城市轨道交通行业，并带来了良好的社会经济效益。随 着新的不锈钢系列产品应用于车体结构，焊接工艺必须由电弧焊改为电阻点焊， 结构设计也需要随之改变。 为了提高城市轨道车辆不锈钢车体的商品化程度，本文按照模块化、轻量 化的设计理念，以保证车体强度、刚度为出发点，对不锈钢车体结构进行了优 化设计；针对不锈钢车体侧墙与车顶薄板结构的双层板或多层板点焊结构，采 用适合这种点焊结构的单元类型和网格模型建立了不锈钢车体的仿真模型；按 照e n l 2 6 6 3 标准确定各计算载荷与工况进行了车体的强度、刚度计算，得出的 不锈钢车体最大等效应力和位移值均与相应工况的试验结果比较吻合，验证了 建立的仿真模型适用于对点焊结构不锈钢车体的仿真分析：对不锈钢车体进行 疲劳强度仿真分析，结果表明，疲劳强度满足e n l 2 6 6 3 的有关规定。 这些研究工作充分反映，本文对城轨不锈钢车体结构实施的优化设计是可 行的，提升了不锈钢车体的设计制造水平和商品化程度。 关键词：不锈钢车体结构优化有限元模型静强度疲劳强度 分类号：u 2 7 0 1 a bs t r a c t a b s t r a c t ：s t a i n l e s s s t e e lm a t e r i a l sb e c a u s eo fh i 曲s t r e n g t ha n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，e a r l yi nt h em i d d l eo ft h et w e n t i e t hc e n t u r yi sa p p l i e di nu r b a nr a i l v e h i c l e s i nr e c e n ty e a r s ，w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft h em a t e r i a lt e c h n i q u ea n d w e l d i n gp r o c e s s ，s t a i n l e s s s t e e lc a r b o d yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nu r b a nr a i l v e h i c l e si nt r a n s i ti n d u s t r y , a n db r i n gg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s w i t ht h e n e ws t a i n l e s ss t e e ls e r i e sp r o d u c t su s e di nt h eh u l ls t r u c t u r e ，t h ew e l d i n gp r o c e s s m u s tb ec h a n g e df r o ma r cw e l d i n gt oe l e c t r i cr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gs t r u c t u r e ， d e s i g na l s on e e d st ob ec h a n g e d i no r d e rt oi m p r o v et h ec o m m e r c i a l i z a t i o no ft h eu r b a nr a i lv e h i c l e s ，s t a i n l e s s s t e e lb o d yh a sb e e no p t i m i z e da c c o r d i n gt od e s i g nc o n c e p to fl i g h t w e i g h ta n d m o d u l a r i z a t i o nt oe n s u r ei t ss t r e n g t h ，s t i f f n e s s a c c o r d i n gt oe n12 6 6 3s t a n d a r d s ，t h e a r t i c l ee s t a b l i s h e dt h es t a i n l e s ss t e e lc a r b o d ys i m u l a t i o nm o d e l ，d e t e r m i n e dt h el o a d a n dl o a dc a s e , c a l c u l a t e dt h es t r e s sa n ds 1 眺o ft h ec a r b o d y , g o tt h em a x i m u m e q u i v a l e n ts t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t t h o u g ht h ec o m p a r eb e t w e e nt h er e s u l t so f s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t s ，i tp r o v e dt h a tt h es i m u l a t i o nm o d e l 、7 l ，i t l ls p o t w e l de l e m e n t s u i t a b l ef o r t h es t a i n l e s ss t e e lc a r b o d ys i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef a t i g u e s t r e n g t ho fs t a i n l e s ss t e e lb o d yw i t ht h es i m u l a t i o na n a l y s i ss a t i s f yt h er e l e v a n t r e g u l a t i o n so fe n l 2 6 6 3 t h e s er e s e a r c h e sf u l l yr e f l e c tt h es t a i n l e s ss t e e lc a r b o d yo p t i m i z a t i o nd e s i g no f i m p l e m e n t a t i o n i s f e a s i b l e ，a n dh a v ep r o m o t e dt h el e v e l o ft h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo fs t a i n l e s ss t e e lc a r b o d ya n dc o m m e r c i a l i z a t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：s t a i n l e s s s t e e lc a r b o d y ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ；f e am o d e l ；s t a t i c s t r e n g t h ；f a t i g u es t r e n g t h c l a s s n o ：u 2 7 0 1 4 不锈钢车体仿真分析方法。3 9 4 1 有限元方法及分析过程。3 9 j 蔓塞交道太堂亟堂僮诠塞目丞 4 1 1 有限元方法简介一3 9 4 1 2 有限元方法分析过程一3 9 4 2 不锈钢车体建模方法。4 2 4 2 1 壳单元4 2 4 2 2 薄壳理论基本假设。4 2 4 2 3 四节点矩形板单元分析4 3 4 2 4 刚性杆单元【9 】4 3 4 2 5 网格划分原则。4 4 4 3 不锈钢车体仿真结果评价方法4 8 4 3 1 车体静强度评价方法。4 8 4 - 3 2 车体刚度评价方法。4 8 4 3 3 车体疲劳强度评价方法4 8 4 4 本章小结4 9 5 点焊结构不锈钢车体静强度仿真分析5 0 5 1 车体结构特点5 0 5 2 车辆主要技术参数5 0 5 3 车体钢结构有限元模型5 0 5 4 重量总汇。5 1 5 5 车体钢结构静强度计算5 2 5 5 1 计算载荷5 2 5 5 2 车体的垂直载荷。5 2 5 5 3 车体的纵向载荷5 4 5 5 4 扭转载荷5 5 5 6 计算载荷工况5 6 5 7 车体钢结构静强度计算结果与试验结果对比。5 7 5 7 1 位移计算及试验结果5 7 5 7 2 应力计算及试验结果5 9 5 7 3 模态分析结果6 4 5 4 结论与建议6 5 5 5 本章小结6 5 6 不锈钢车体结构疲劳强度仿真分析6 7 6 1 计算载荷6 7 6 1 1 车体的垂直载荷6 7 6 1 2 车体的横向载荷6 7 6 1 3 扭转载荷一6 7 6 2 疲劳载荷工况6 7 6 3 各工况平均应力、应力幅仿真分析6 8 6 3 1 平均应力、应力幅值仿真结果与分析。7 0 6 3 - 2 结论7 7 6 4 本章小结7 7 7 结论与展望。7 8 7 1 开展的工作与结论7 8 7 2 展望。7 9 参考文献8 0 作者简历8 2 独创性声明。8 3 学位论文数据集8 4 质感好的特点，已被广泛应用于轨道车辆行业，成为车体结构的主要材料。与 碳钢车体相比，不锈钢车体重量轻、耐腐蚀、变形量小、残余应力低，车体寿 命长，其商品化程度也高，可实现无涂装工艺、满足环保要求，降低运用维护 成本。 世界上最早将不锈钢材料应用于轨道车辆车体的国家是美国，b u d d 公司于 1 9 3 2 年研制出世界上第一辆不锈钢铁路客车，揭开了不锈钢车体的工程化序幕。 从2 0 世纪5 0 年代开始，各国陆续开始大量研究不锈钢车体，迄今已经过5 0 余 年的发展，运用领域遍及城轨车辆、客车、机车、货车等各种轨道车辆，技术 日趋成熟。 我国不锈钢车体的工程化发展可追溯至2 0 世纪8 0 年代，进入2 1 世纪后， 转入快速发展期。目前，国内的不锈钢车体已大量应用于城市轨道交通行业， 具有良好的社会经济效果。 随着不锈钢车体的快速发展，一些新的技术问题不断提出，引起业内的思 考与探索。在不锈钢材料焊接过程中，热影响区易产生铬碳化合物晶界析出现 象，并出现晶界腐蚀裂纹，降低耐腐蚀性能。为此，开发了适合铁路车辆用的 高强度不锈钢材料s u s 3 0 1 l 及其等效系列产品。该产品降低了含碳量，避免焊 接时容易出现的贫铬现象，并通过压延调质获得不同的机械性能状态，以便根 据车体不同部位的强度要求及构件的成型特点灵活选择，实现车体强度与刚度 的良好匹配。目前，s u s 3 0 1 l 系列奥氏体不锈钢及其等效系列产品已成为城市 轨道车辆车体承载结构主要用材。 研究适应该系列不锈钢的车体结构优化设计技术、焊接工艺方法，以及不 锈钢车体的结构强度、刚度是否满足应用要求，已成为迫切需要解决的课题。 1 2 国内研究现状 8 j e瘟銮 适太堂亟堂僮途 塞 绪论 我国从引进第一代不锈钢车体研发的技术发展过程并非一帆风顺，到目前 正在研制的s u s 3 0 1 l 系列奥氏体不锈钢的轨道车辆不锈钢车体的出现，每一阶 段，设计及制造工艺都出现过很多技术难题，如焊接技术、材料开发、固接结 构设计等，造成车内焊件较多，轻量化、模块化程度不高，外观缺陷无法修补 等问题。 目前，正在研制s u s 3 0 1 l 系列奥氏体不锈钢的城市轨道车体不锈钢车体， 由于该系列不锈钢材料的热膨胀系数大、导热率低、焊接变形难以控制，调修 困难。因此，不锈钢车体焊接需要以电阻焊为主，结构上尽量避免电弧焊，以 有效降低热输入；车体结构设计时，在满足功能要求的基础上，应考虑电阻点 焊的工艺特点和承载特点。同时，按照模块化、轻量化的设计理念，以车体强 度、刚度为出发点对不锈钢车体结构实施优化设计。如侧墙内层筋板结构、车 项波纹板和底架波纹地板、空调安装结构、牵枕缓部位等进行了优化设计，以 提高不锈钢车辆的商品化程度。 另外，在车体结构仿真分析中，碳钢车体板梁结构建模时，一般都忽略电 弧焊焊缝处的应力集中。但对于不锈钢薄板采用的焊点连接结构，在不锈钢车 体建模时也需要予以考虑。 1 3 主要研究内容 本文从不锈钢车体的工艺特点及城轨车辆运营条件出发，在我国新一代不 锈钢车体产品的研制基础上，采用理论与工程实践紧密结合的研究方法，对不 锈钢车体结构进行优化设计。本文的主要研究内容为： 1 为提高城轨不锈钢车体的商品化程度，实现模块化、轻量化的设计理念， 对不锈钢车体的侧墙内层筋板结构，车顶波纹板，底架波纹地板，牵引梁、枕 梁、缓冲梁连接部位，后端墙和空调安装部位等实施优化设计，并进行了创新 性探索与研究。 2 从有限元基本理论出发，研究了适合点焊结构不锈钢车体的建模方法与 结果评价方法。 3 采用具有焊点单元的不锈钢车体结构模型进行优化设计与静强度和刚 度仿真分析，并将仿真结果与实验结果进行对比，验证了该仿真方法的可行性。 9 i 丝 立交通太堂亟堂 僮论塞绪途 4 根据不锈钢车体的运行环境，按照e n l 2 6 6 3 标准确定疲劳载荷与工况， 在静强度仿真模型上，采用名义应力法对不锈钢车体进行疲劳强度仿真分析。 1 0 2 不锈钢车体结构与焊接工艺特点 城市轨道车辆不锈钢车体的基本结构，包括车顶、底架、侧墙、端墙和司 机室( 仅t c 车有) 等六大部件组成，六大部件在专门的总组装台位上采用焊接 方式联接成完整的车体结构。 2 1 车顶结构 车顶分为平顶和弧顶两部分，平顶用于安装空调，弧顶由通长两根冷弯型 钢边梁与数根拉弯成形的车顶弯梁通过连接板点焊在一起，形成骨架结构，然 后在弧顶上面铺设波纹板，两侧设两根冷弯型钢外罩车顶侧顶板。板、梁间通 过自动编程点焊连接。平顶需支撑空调机组、内装部件以及检修人员的载荷， 设计时充分考虑平台的自身强度、刚度及其对车体总体强度、刚度的影响，确 保能够顺畅传递纵向载荷。同时，特别考虑平整度以确保水密性和平顶流水的 顺畅。平顶板能承受在2 0 0c m 2 上施加1 0 0 0 n 垂直载荷，车顶板能承受在间距 5 0 0 m m 的两个4 0 0c m 2 面积上分别施加1 0 0 0 n 垂直载荷，即维护人员在平顶上行 走时的载荷，车顶结构三维效果图见图2 1 。 2 2 底架结构 图2 1 车顶结构三维效果图 f i g u r e2 1t h e3 dd r a w i n go f r o o fs t r u c t u r e 底架为无中梁结构，由牵引梁、枕梁、缓冲梁、边梁、横梁、波纹地板等 组成。底架两侧为两根不锈钢冷弯型钢边梁，在它们之间布置不锈钢主横梁，主 横梁间距根据车下吊装设备需要调整，在主横梁上部铺设不锈钢波纹地板，可 墨匕塞銮适态堂亟堂僮途塞丕堡塑奎佳结捡生埕接王茎缱壶 支撑a w 3 的乘客载荷。不锈钢边梁与主横梁间采用连接板点焊连接。牵引梁、 枕梁为组焊而成的箱形结构，受力稳定，能够有效传递各种载荷，底架结构三 维效果图见图2 2 。在底架设计时以安全、可靠为主，兼顾轻量化。边梁、缓冲 梁、波纹地板等为不锈钢材料，牵引梁、枕梁、端部内边梁为高耐候结构钢材 料。 底架的枕梁处和车端处设有抬车垫板八处，满足车辆的检修、吊运和救援 作业需要，抬车位局部加强，同时在车体上有指导作业的标记。 2 3 侧墙结构 图2 2 底架结构的三维效果图 f i g u r e2 2 t h e3 dd r a w i n go fu n d e r f r , t m e 侧墙钢结构主要由侧墙外板、门立柱、窗立柱、横梁、侧墙上边梁、内层 筋板、角接头和连接板等组成。 侧墙是不锈钢车体外观最显眼部位，要求焊点分布均匀有序，压痕浅而一 致，同时又是承载的重要部件，门角和窗角为应力集中区，所以，在门角、窗 角处均设有补强板。侧墙设计时重点关注侧墙的焊点强度、整体刚度和疲劳强 度等问题，避免车辆在运用中产生永久变形和疲劳裂纹。 侧墙采用内层筋板结构，以整体冲压成型的内层筋板取代传统不锈钢车体 补强梁，整体冲压内层筋板如图2 3 所示。 侧墙窗立柱及侧墙立柱均采用帽形梁或乙型梁，二者与窗上及窗下横梁、 立柱以及内层筋板组焊成侧窗单元。门口采用3 m m 板厚的立柱形成门型框架， 三维效果图见图2 4 。侧墙梁柱以s u s 3 0 1 l h t 材料为主，且大部分梁柱断面为 帽形，与外板点焊后形成箱形结构，从而加大断面系数以提高抗弯刚度。门口 框架、侧窗单元与通长的纵向侧墙上边梁以及边梁上横梁组焊而成，各部件牢 固地连接成一个整体，并在门角和窗角设有补强板避免应力集中，从而保证车 体在纵向、垂向、扭转等载荷作用下，强度、刚度满足要求，使门的开、关运 1 2 2 4 端墙结构 f i g u r e2 4 t h e3 dd r a w i n go fs i d ew a l l 端墙结构主要由端角立柱、端弯梁、门立柱、门槛、横梁、外端板等组成， 端墙结构见图2 5 。端墙与车顶、侧墙、底架有机的结合成一体，共同承受车体 所受的各种载荷。端墙结构满足端部载荷的要求，当列车万一发生相撞时，能 够防止客室受损，保证乘客的人身安全。在端墙设计时，考虑贯通道安装以及 贯通道开口对车辆整体强度的减弱，进行补强。采用焊接变形量较小的电阻点 焊保证端墙的平面度。 北京交通大学硕士学位论文不锈钢车体结构与焊接工艺特点 端墙板为整体冲压成型的模压件，造型美观，有利于提高外墙板的刚度。 o f 愁黟霉鳓嬲研獬秽”，勰物勰$ 。霄彬爨獬嬲张翳嬲，葱 勰 ，? 一| | l | | c氏 ， 、 鋈 一：； l鼍 匡 蠡ii露麓j| 襽 气 + 5b 8 9 1 2 嘲嘲嘲幽幽矽7 5 侧墙钢结构图6 司机室钢结构三维效果图 u r e2 t hd r w i n go f n d w a l l u r e2 t h3 dd r w i n go f r i v e rc a 主要由钢骨架、玻璃钢外罩、裙板等组成。钢骨架采用方管不锈钢 钢焊成整体骨架，结构简单，强度、刚度好，重量轻，司机室玻璃钢外罩 内充隔音材，且在玻璃钢内部预埋加强筋板和连接板等，三维效果图见图 2。 2 车体结构用不锈钢材料 车体材料一般为s u s 3 0 1 和s u s 3 0 4 奥氏体不锈钢，s u s 3 0 4 用于 不高强度的不锈钢，车体承载部位采用sus301不锈钢，sus301不锈钢经 冷艺后提高抗拉强度，并且其压制工艺性能优良，sus301不锈钢抗拉强度 由高分为：lt、dlt、st、mt、ht等，表21列出了不锈钢车体材料性 能它们各自适用的部位。 1 北京交通大学硕士学位论文不锈钢车体结构与焊接工艺特点 表2 1不锈钢车体材料性能 t a b l e2 1 s t a i n l e s ss t e e lc a r b o d ym a t e r i a lp r o p e r t i e s 抗拉强度屈服极限延伸率 材料名称应用部位 n r a m 2n m m 2( ) e n i 4 3 1 8 + 2 g墙板 3 5 0 侧墙立柱、侧墙横梁、缓冲 s u s3 0 1 l - s t梁、窗口横梁、车顶弯梁、7 5 8 9 3 14 1 4 5 5 23 5 车项横梁、车顶下边梁 车顶边梁、侧门立柱、端角 s u s3 0 1 l - 仃柱、门口立柱、门上横梁、8 2 8 9 9 94 8 2 6 6 52 5 波纹地板、 s u s3 0 1 l - i t底架边梁、横梁9 3 l 1 1 3 8 6 8 9 8 2 7 2 0 s u s3 0 1 l d l t 侧墙内层筋板 6 8 9 8 6 23 4 5 4 8 2 4 0 q 3 4 5 c底架牵、枕、内边梁 4 9 03 4 52 1 冲击座c 级钢 5 2 04 1 42 2 s u s 3 0 4司机室骨架和侧顶板5 2 02 0 5 2 7 不锈钢车体焊接工艺特点 由于不锈钢导热率很小，发生热应变较大，奥氏体不锈钢温度达到6 0 0 。c 时，奥氏体组织会发生变化，发生晶界腐蚀，从而导致钢材屈服极限与强度极 限急剧下降，因此其焊接工艺相对复杂。与碳钢车体相比，车体结构的组焊工 艺不宜采用电弧焊。 为了使不锈钢车体轻量化，采用比碳钢车体厚度相对小的薄板结构，如侧 墙和车顶外墙板厚度均为1 5 r a m ，而碳钢车外墙板在2 5 r a m 左右，所以侧墙、 车顶外墙板的工艺通常采用点焊工艺；同时为保证侧墙承载且具有足够的刚度， 在对骨架焊接时，如侧墙立柱与上边梁、底架的连接一般采用满焊的方式，保 证固结强度；侧墙横梁立柱之间、横梁与边梁之间的连接采用过渡板的形式， 这样保证施工工艺简单，还可以保证侧墙整体的组焊成型；车体底架牵枕缓部 位一般采用满焊工艺，保证牵引载荷与压缩载荷的顺利传递。 1 5 j e 塞窒逼太堂亟堂位诠塞丕笾塑蔓笠缝捡皇埕接王茎挂盛 2 8 本章小结 由不锈钢车体结构与材料、工艺特点，采用新型s u s 3 0 1 系列不锈钢材料对 不锈钢车体的设计、制造带来了新的机遇和挑战，并给不锈钢车体带来了轻量 化和模块化设计的主题。 1 6 补强，简化了施工工艺，实现了结构模块化，提高了侧墙刚度和外板的不平度。 表3 1 列出了内层筋板结构与板梁结构的比较。 内层筋板的结构形式多样，元件设计时主要考虑单元的承载能力、使用部 位的受力状态及模压成型丁艺等问题。 图3 1 板梁车体结构侧墙 f i g u r e3 1 p l a t eb e a ms i d ew a l l 北京交通大学硕士学位论文不锈钢车体结构优化设计 表3 1内层筋板结构与板梁结构不锈钢车体的比较 t a b l e3 1t h ec o n t r a s tb e t w e e nt h ec a r b o d yo fs t i f f e n e dp l a t es 打u c t u 陀a n dt h e e a r b o d yo fp l a t eb e a ms t r u c t u r e 补强形式内层筋板结构不锈钢车体 板梁结构不锈钢车体 内层筋板的制造需要多套补强梁通过简单的压型获得， 前期投入 模具，前期投入比较大 需要的模具数量少 如果发生侧墙强度不足，现可以通过增加板梁的数量进行 强度设计 车结构进行补强相对困难 局部补强 实施点焊工艺，焊接变形焊接工艺复杂，容易造成焊接 制造工艺 小，外表美观变形，外板不平度较难保证 急 j f”节i4 。l l7 旷一”i 口2 ”? 一一i l i 一“t ，# o 蜜 ! 酎删猷 雹 !| | 留| | 固留：| ；r m ；f ： l f ： ? j ：j j ，：舒 1 c ，：引 蓬麓隧 一 捌隧i i c 剿氨爵僖箍隧蠹 图3 4 方案1 整体侧墙 图3 5 方案2 整体侧墙 f i g u r e3 5w h o l es i d ew a l lw i t hs t i f f e n e dp l a t es c h e m en 0 2 1 ) 两种内层筋板结构性能的计算工况与载荷 为了分析两种内层筋板方案的特性，计算了八个工况、四种载荷。 工况1 将筋板左端长边全约束，另一长边施加1 0 0 0 n 沿x 正方向的拉伸载荷 工况2 将筋板下端短边全约束，另一短边施加1 0 0 0 n 沿y 正方向的拉伸载荷 工况3 将筋板左端长边全约束，另一长边施加1 0 0 0 n 沿y 负方向的剪切载荷 工况4 将筋板下端短边全约束，另一短边施加1 0 0 0 n 沿x 正方向的剪切载荷 工况5 将筋板左端长边全约束，另一长边施加1 0 0 0 n 沿z 负方向的弯曲载荷 工况6 将筋板下端短边全约束，另一短边施加1 0 0 0 n 沿z 负方向的弯曲载荷 工况7 将筋板左端长边全约束，另一短边施加5 0 9 0 0 0 n m m 的扭转载荷 工况8 将筋板下端短边全约束，另一短边施加3 3 2 5 0 0 n m m 的扭转载荷 两种内层筋板结构计算网格模型见图3 6 和图3 7 。 图3 6 筋板方案l 的网格模型 f i g u r e3 7m e s ho fs t i f f e n e dp l a t e s c h e m en o 1 1 9 图3 7 筋板方案2 的网格模型 f i g u r e s3 6m e s ho fs t i f f e n e dp l a t e s c h e m en o 2 j e 塞銮逼太堂亟堂僮诠塞丕堡翅奎签结捡垡丝遮盐 2 ) 两种内层筋板方案整车性能的计算工况与载荷 为了比较两种内层筋板方案对整车性能的影响，参考相关车体钢结构强度 标准，取三种计算工况。 计算工况1 在底架二系弹簧部位施加垂向位移约束，中心销部位施加纵向位移约束， 横向止挡处施加横向约束，纵向对称面施加对称约束。在底架上平面施加1 5 0 k n 垂直向下的载荷。 计算工况2 在底架二系弹簧部位施加垂向位移约束，中心销部位施加纵向位移约束， 横向止挡处施加横向约束，纵向对称面施加对称约束。前后从板座部位施加 6 0 0 k n 压缩载荷。 计算工况3 纵向对称面施加反对称约束，中心销部位施加纵向位移约束，横向止挡处 施加横向约束，分别对前后二系弹簧部位施加垂向- 4 m m 与垂向4 m m 的强迫位 移。 整车网格模型见图3 8 所示。 图3 8 整车网格模型 f i g u r e3 8m e s hm o d e lo f w h o l ec a r b o d y 3 ) 两种方案内层筋板计算结果 两种内层筋板结构性能有限元计算结果列于表3 2 中 北京交通大学硕士学位论文不锈钢车体结构优化设计 表3 2两种方案内层筋板结构应力与位移计算结果( 应力：m p a ，位移：m m ) t a b l e3 2 c a l c u l a t i o nr e s u l t so f t w os c h e m e sa b o ms t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t 方案1方案2 工 最大最大 最大 最大 图片v o n m i s图片v o n m i s 况 位移位移 e s 应力 e s 应力 l0 6 3 60 0 0 30 6 0 70 0 0 2 20 9 1 60 0 0 8 1 8 8 0 0 0 1 2 32 0 00 0 2 1 一 2 4 80 0 0 2 麓 41 0 70 0 0 61 2 50 0 0 5 2 1 北京交通大学硕士学位论文不锈钢车体结构优化设计 52 1 5 00 4 4 5 鞑喜 2 5 8 00 4 9 7 饕震 圈 63 0 3 01 6 6 0 善，。霪? 二。 3 1 3 01 6 8 0 链。 7 瓣i 撩鹚 a 呷： 7 幢 1 3 5 00 2 0 91 3 6 00 2 0 5 1 1 1 0 0 2 6 3 1 2 0 00 2 5 4 8 由表3 2 的计算结果可知：两个内层筋板方案的变形量都很小，而应力值方 案1 比方案2 小一些，这主要是方案1 的载荷可以从边界传到内部，而方案2 由于距边晃有一条筋，载荷传递相对困难。 4 ) 整车模型两种方案侧墙计算结果 两种内层筋板方案整车模型中，侧墙上三种计算工况下的最大当量应力计算 结果列于表3 3 中，侧墙的横向变形示于图3 9 和图3 1 0 中。 u ：ta iil n 0 x i n 、m m r e s u l t s 。1 -日c 1 d ib p l a c e m e t q t1 l o ds e tt 0 ls p l a c e 惦n t xmn ：112 e + 0 0h x ：e0 5 e 0 1 d e f i d r m t lo n ：1 日c 1 d is p l c e e n t 一1 l o a o8 e t1 d l5 p l c e h ，e t q t -mn ：- 1t2 e + 0 0h x ：e0 5e-0t、，lue o f r r io n ： c t u l f r a 睢o fr e f ：p r t 鼍。 j 图3 9 方案一垂直载荷工况下在整车模型中侧墙的横向变形 75 4 昏0 1 oa 6 口语1 f i g u r e3 9t h el a t e r a ld e f o r m a t i o no f s c h e m en o ls i d ew a l lu n d e rt h ev e r t i c a ll o a dc a s e d ：、d lti 4 h o x i n 、m 一1 r e s u l t 8 ： 1 - 目c 1 d is p l a c e m e n t l o ds e t1 d ls p l a c e m e n t - mn ：- 口8 0 e - 0 1 姒：65 0 e 一0 t d e f o r p 4 a t io n1 日c1 d lg p l a c e m e n t _ 1 l c a ds e t1 图3 1 0 方案二垂直载荷工况下在整车模型中侧墙的横向变形 f i g u r e3 1 0t h el a t e r a ld e f o r m a t i o no f s c h e m en 0 2s i d ew a l lu n d e rt h ev e r t i c a ll o a dc a 辩 表3 3 侧墙上最大v o n m i s e s 应力和位移计算结果( 应力：m p a ，位移：m m ) t a b l e3 3c a l c u l a t i o nr e s u l t so f s i d ew a l la b o u tt h ev o n m i s e ss t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t 工况1工况2工况3 应力位移 应力位移应力应力 方案16 3 00 6 6 53 2 81 6 2 方案2 6 5 6 0 6 3 73 8 81 8 8 通过对整车模型有限元计算表明，采用第一种方案侧墙结构的强度较大， 而第二种方案侧墙结构的刚度较大( 位移较小) 。 5 ) 综合分析 由上述计算结果可见：方案2 单元力的传递特性较差，成型工艺亦较差， 故采用方案l ，改进后的侧墙效果见图3 1 1 所示。 图3 1 1 改进后侧墙效果 f i g u r e3 1li m p r o v e ds i d ew a l le f f e c t 3 1 3 侧墙内层筋板结构与板梁结构车体刚度的试验数据比较 为了实现不锈钢车体的轻量化与模块化，在北京八通线之后，北京地铁一 号线、四号线，成都一号线地铁均采用了内层筋板结构侧墙。通过试验测试了 车体的弯曲刚度和扭转刚度，试验数据列于表3 4 。车体试验情况见图3 1 2 所示。 j 童塞童垣太堂亟堂僮途塞丕堡鲴奎佳结捡垡垡逶让 表3 4侧墙内层筋板结构与板梁结构车体刚度试验数据 t a b l e3 4t e s td a t aa b o u ts t i f f e n e dp l a t es t r u c t u r ec a r b o d ys t i f f n e s sa n d p l a t eb e a ms t r u c t u r e c a r b o d ys t i f f n e s s 弯曲刚度扭转刚度钢结构质量 车型 n m 2 x 1 0 8n m 2 t a d x1 0 8t 北京八通线t 车( 板 5 6 l1 8 2 9 7 0 9 梁) 北京一号线m 车 5 9 91 7 29 1 6 0 ( 内层筋板) 北京四号线m 车 7 82 3 58 7 3 5 ( 内层筋板) 成都地铁1 号线m p 7 1 97 9 1 0 车( 内层筋板) 图3 1 2 车体试验情景图 f i g u r e3 1 2c a r b o d yt e s ts c e n e 由四种车型的车体刚度试验数据可见： 1 ) 采用内层筋板的三种m 型( 动车) 车体刚度均比采用板梁的北京八通线t 车( 拖车) 刚度有明显提高，其中，成都地铁1 号线和北京四号线m 型车体刚 度分别提高2 8 和3 9 ； 2 ) 采用内层筋板的车体质量均比采用板梁的车体质量明显减轻，其中，北 京四号线和成都1 号线的车体质量分别减轻1 0 和1 8 5 ； 3 ) 内层筋板结构与板梁结构相比，还具有施工工艺简单、易保证外形美观 等特点。 j 壁塞銮适太堂亟堂僮迨塞丕堡塑奎佳结捡垡丝遮盐 因此，采用内层筋板结构实现了不锈钢车体侧墙的优化设计。 3 2 侧墙应力集中部位焊点优化布置 不锈钢车体侧墙的焊接工艺为点焊，当车体受各种荷载作用时，各焊点的 受力情况有显著的差别。如果焊点布置不当，个别焊点的受力处于极其不利的 状态。因此研究侧墙焊点的受力分布是十分必要的。特别是应力集中部位焊点 的优化布置，有利于降低焊点受力、减少焊点数目，同时可提高不锈钢车体的 强度、刚度和表面美观、平整度。 3 2 1 侧墙部位焊点受力分析 车体上的受力是极其复杂的，为了保证车体在运行过程中的安全性，根据 欧洲标准e n l 2 6 6 3 铁道应用轨道车身的结构要求n 2 1 对车体强度、刚度进 行分析计算，采用e n l 2 6 6 3 标准中拉伸、压缩及垂向载荷工况进行整车计算， 其它载荷工况用于车体局部或部件强度校核。 由于焊点起连结侧墙内外板的作用，焊点承受的力一般以剪切力为主，图 3 1 3 中给出了在垂直载荷工况下焊点剪切力的分布情况，在侧墙外板局部区域 产生了较大的应力集中。图3 1 4 示出了门下角部位个别焊点存在较大的应力集 中。 图3 1 3 车体侧墙应力分布云图 f i g u r e3 1 3b o d ys i d ew a l ls t r e s sc o n t o u r 图3 1 4 门下角焊点部位应力分布云图 f i g u r e3 1 4s t r e s sc o n t o u ro f t h ed o o r f r a m ew e l d s p o t 拉伸工况下剪力大小分布与垂向载荷工况有所不同，大剪力分布在四个门的 门框下端。实际上，在拉伸( 压缩) 工况下的剪力一般大于垂向载荷单独作用。 3 2 2 侧墙焊点分布整体优化 由仿真分析结果可以看出，侧墙上焊点的剪力分布是很不均匀的。在大部 分区域内焊点的剪力都小于l k n ，一部分焊点( 大约占侧墙焊点总数5 ) 剪力 小于l o k n ，个别焊点剪力大于l o k n 。由此可以看出，单从侧墙结构强度来讲， 很多焊点的设置是没有必要的，可以考虑在强度允许的条件下，减少焊点的数 量。 一般来说，侧墙焊点的优化分为焊点数量的优化和焊点布置的优化。考虑 焊接工艺、美观等方面的要求，优化过程中不考虑焊点位置的变化，而仅考虑 焊点的“死活”及数量。即，在原有焊点的基础上，减掉一些受力很小的焊点， 原来剪力较大的焊点剪力值不能增大。 按照上述要求，通过对整车模型进行有限元分析和计算，得到优化后的侧 墙焊点分布示于图3 1 5 ，原始焊点分布见图3 1 6 。由于侧墙焊点在一、二位端 是对称分布的，所以仅画出了半个侧墙的焊点分布。从图中可以看出，在侧墙 上部的许多焊点优化后已经被去掉，优化后每侧侧墙的焊点数量减少5 1 6 个。 将优化结果与原焊点剪力分布进行比较可以发现，去掉的焊点都位于焊点剪力 北京交通大学硕士学位论文不锈钢车体结构优化设计 值很小的区域。对优化后的焊点分布重新做了静强度分析，分析结果表明，被 优化去掉的焊点周围其它保留焊点的剪力值增加并不明显，而原来剪力值较大 的焊点优化后其剪力值也没有增大或减小。 o l 墨：占j 阴嘲删删嘲p 一嘲 - l k l 习 oo口 蚕 o口 oo 荤| ooooo c oooo ，- - “ “一 图3 1 5 侧墙整体优化后焊点布置图 f i g u r e3 1 5w e l d s p o ta r r a n g e m e n ti ns i d ew a l la f t e ro p t i m i z a t i o n 棚 戳融姒戳懿取融融融融姒戳矗姒戢戤飘飘- b d k _ 。 2 翮l 9 “ i i l l r 。1 b ：u ：一 ll嫡：e”“ill 耳司 嚣 - 1 “h l l l l 黼 1 一hh - 戳默【 | | k i 【i 姒一： f i - h - 日 一 雠僻 一融融 l h - i拱 ；纠 卜“* 嚣 幽 戳 l t 戳融l i t 8 卧 “ ”：f l ： ll 一一- l i - ir o 蚕l窿 o 蚕l甜 o k o 习 c 3oc )：口 ooo：o - o o ：o 侧墙焊点通过整体优化后，依据强度标准 去除了许多剪力值很小的焊点，减少了侧墙焊 点的数量。这一优化过程并没有将剪力较大焊 点的剪力值减