1、磁悬浮列车国产化车体静强度分析与优化方案赵双敬 刘东军（唐山轨道客车有限责任公司 河北 唐山 063035）摘要：本文对本公司最近研制的磁悬浮列车车体结构在不同工况下进行了静强度计算分析，并根据计算结果对车体结构进行了优化，提出切实可行的优化方案，并对以后磁悬浮列车国产化结构设计提供了一个新的思路。关键字：磁悬浮列车 车体结构 有限元分析 静强度一 概况德国从 20 世纪 70 年代早期就开始开发磁悬浮技术，经过 30 年的持续努力，现在，德国的磁悬浮技术已可用于商业运营。之后美国，日本，韩国相继研制成功，并投入运营，我国从 2002 年引进德国技术，并在上海磁悬浮示范线成功运营，之后就开始磁
2、悬浮技术的研制，并逐步实现磁悬浮技术的国产化，磁悬浮列车车体是磁悬浮列车技术中的核心技术之一，我公司一直致力于磁悬浮列车技术的开发、研制、国产化研究。目前，我公司针对上海示范线磁悬浮列车最新形式进行研制生产，其中本文对列车车体结构在不同工况下的情况进行了静强度分析，并在此基础上提出结构的优化方案，促进了磁悬浮列车的国产化进度。二 磁悬浮列车车体结构简介最新研制的磁悬浮列车车体结构主要包括底架、侧墙、平顶、圆顶和端墙，设计重量为 3.1 t，每米承载量为 200 kg。车体结构三维模型如图 1Error! Reference source not found.所示：图 1 磁悬浮列车车体三维模型
3、三 车体结构静强度分析计算载荷和强度评估方法按照EN12663-2000 铁道应用-轨道车身的结构要求 ，有限元建模及结构应力计算分别采用 Hypermesh 及 ANSYS 软件完成。本次计算的磁悬浮车体所有的型材全部采用 EN AW-6005A-T6 材料，所有板材采用 EN AW-5083- H111 材料，车钩座为 EN AW-6005A-T6 材料，滑台为 EN AW-5083- H111 材料，本次计算没有蜂窝结构。车体所用材料及其参数见表 1。表 1 车体各主要部件材质、板厚及其力学性能参数强度极限 弹性极限材料 状态 厚度非焊缝区 焊缝区 非焊缝区 焊缝区t5mm 270 16
4、5 225 1155mmt10mm 260 165 215 115T6 实心挤压型材10mmt25mm 250 165 200 115t5mm 255 165 215 115EN AW-6005AT6 空心挤压型材5mmt15mm 250 165 200 115H111 0.2mmt50mm 275 275 125 125EN AW-5083H321 0.2mmt40mm 305 275 215 125根据计算任务书要求，本报告主要计算分析了 10 种工况，具体计算工况如下所示：工况一，车钩高度 400kN 压缩载荷工况；工况二，车钩高度 320kN 拉伸载荷工况；工况三，车体的最大运营转载荷
5、工况；工况四，外台车位顶车位提升整个车体，整备状态；工况五，内台车位顶车位提升整个车体，整备状态；工况六，车钩高度 400kN 压缩载荷+正常运营载荷工况；工况七，车钩高度 320kN 拉伸载荷+正常运营载荷工况；工况八，车顶中央 200 2 的面积上承受 1000的垂直载荷工况；工况九，车顶中央纵向间距 500mm 两个 400cm2 的面积上分别承受 1000N 垂直载荷的工况；工况十，车顶中央横向间距 500mm 两个 400cm2 的面积上分别承受 1000N 垂直载荷的工况；使用大型有限元分析软件 ANSYS 对模型进行计算分析，计算结果表明，在工况1、2、3、6、7 下，车体的最大
6、应力都发生在车体底架与地板连接处，门角处，其值超出了车体焊缝的许用应力，其最大应力位置及应力值如表 3 所示：表 3 原结构模型原结构车体在各种工况下的最大应力位置及应力值工况应力位置 最大应力值 工况 应力位置 最大应力值1 179MPa 6 178 MPa2 143.8 MPa 7 145.4 MPa3 232.4 MPa由表 3 可知在工况下 1、工况 2、工况 6、工况 7 下车体底架与底板局部应力最大值为 179MPa，在工况 3 下，门角局部应力最大值为 232.4MPa，大于焊缝材料的许用应力 115MPa，不满足设计要求。四 车体结构强度分析与优化方案针对局部应力过大情况，在中
7、间地板型材处增加补强筋，在型材内部也做了补强，补强方案如图 2 所示（第一补强方案）：图 2 增加补强筋板后的模型（第一补强方案）对第一次改进的模型即增加补强筋后的模型进行计算，计算结果表明，局部应力仍超出了材料的许用应力，超出许用应力的工况及应力最大位置如表 4 所示：表 4 第一次更改后的模型增加补强筋后的最大应力位置及最大应力值工况 最大值位置 最大应力值 工况 最大值位置 最大应力值补强筋1 121.8MPa 6 123.8MPa对第一次改进的模型再次进行计算，由表 4 结果显示地板连接处应力值在120MPa 左右，比焊缝的许用应力值稍微偏高，再次对模型进行了改进，改进方案为：将类似中
8、梁的地板型材和滑台连接；将图中紫色的过渡连接梁的壁厚改为 2.5mm；在端部下盖板上增开工艺孔；将门角进行了补强，具体补强方案如图 3 和图 4 所示。图 3 增加连接梁 图 4 上门角补强对第二次改进的模型进行计算，结果显示 C 型槽与连接梁立板连接焊缝处最大应力为 118MPa，上门角处最大应力值为 125MPa，下门角处最大应力为 117MPa，略大于焊缝的许用应力 115MPa。因此对模型进行了第三次改进。将连接梁立板的厚度加厚为 10mm，上门角补强板增大为 80mm，厚度降低为 6mm。下门角内侧增加 60mm的补强板。修改后的模型如下图所示：图 5 下门角内侧补强 图 6 上门角
9、补强对第三次改进的模型进行计算，改进后的模型最大应力位置及最大值如表 5 所示：表 5 第三次改进后的模型连接梁过渡连接梁 门角补强第三次改进后的模型最大应力位置及最大应力值工况 应力位置 最大应力值 工况 应力位置 最大应力值1 112MPa 6 112.4MPa2 89.6MPa 7 114.3MPa3 95.25MPa 8 45.8MPa4 109.6 MPa 9 40.2 MPa5 89.2 MPa 10 16.2 MPa计算结果表明，经过第三次优化后的车体模型最大应力值为 114.3MPa，小于车体焊缝许用应力值 115MPa，满足设计要求。五 结论1，原结构在工况下 1、工况 2、
10、工况 6、工况 7 下车体底架与底板局部应力最大值为 179MPa，在工况 3 下，门角局部应力最大值为 232.4MPa，大于焊缝材料的许用应力 115MPa，不满足设计要求。2，第一次改进的模型在显示地板连接处应力值最大为 123.8 MPa 左右，比焊缝的许用应力值稍微偏高，需要进一步改进。3，第二次改进的模型在 C 型槽与连接梁立板连接焊缝处最大应力为 118MPa，上门角处最大应力值为 125MPa，下门角处最大应力为 117MPa，略大于焊缝的许用应力115MPa。因此对模型进行了第三次改进。4，经过第三次优化后的车体模型在 10 种工况下的最大应力值为 114.3MPa，小于车体
11、焊缝许用应力值 115MPa，满足设计要求。参考文献：1，维龙,高建平,曹霞,等.磁悬浮列车铝合金车体制造及焊接工艺研究J城市车辆,2001(5):40-422，黎明.ANSYS 有限元分析实用教程 M.北京:清华大学出版社 ,20053，黄明星,叶云岳,方攸同,等.磁悬浮试验线运行车辆的结构设计与分析J. 浙江大学学报(工学版 ):2008(5):805-8094，肖守讷,沈安林,阳光武,等.中低速磁悬浮车体的结构特点及其分析J.中国科技论文在线:2010(10):803-8065，常树民,马纪军. 铝合金车体结构设计构思J. 铁道车辆: 2004, 42(9): 9-13. 6，海邦君. 铝合金车体设计研究J. 铁道车辆: 2003, 41(10):26-28.7，周建乐,王军. 地铁车辆铝合金车体的设计J. 城市轨道交通研究: 2000 (2): 53-56.8，张学山,谢素明,兆文忠. 常温常导中低速磁悬浮列车车体数值仿真及验证J. 大连铁道学院学报:2006, 27(4): 14-17.作者简介：赵双敬，女，1982 年生，河北唐山，硕士研究生，唐山轨道客车有限责任公司，工艺工程师，从事高速动车组车体制造工艺研究。
