西安地鐵一號線車體鋼結構設計架構探討論文
西安地鐵一號線車體鋼結構設計架構探討論文
前言
目前，國內很多城市已經建設或正在籌劃建設地鐵，地鐵車輛市場前景非常有潛力。其中不鏽鋼地鐵車輛已成為當今地鐵車輛中的主流產品。
不鏽鋼車體相對於其它種類車體具有以下優點：車體重量輕、耐腐蝕效能強、防火效能高、維護成本低、全壽命週期（30年）成本底、車體表面無需塗裝。
1 西安地鐵一號線車輛主要引數（單位：mm）
車體長度 Tc： 19500
T，M，Mp： 19000
車輛高度（不含受電弓）： 3800
車體寬度： 2800
地板面距軌面高度： 1100
兩轉向架中心距： 12600
車輛編組： +Tc–Mp-M-T–Mp–Tc+
2 結構方案
車體結構符合標準EN12663-2000 《鐵道車輛車體結構要求》，型別歸屬於其中P-Ⅲ，即地下快速軌道交通車輛。
車體結構由底架、側牆、端牆、頂棚和司機室（僅Tc車有）等構成的薄壁筒型整體承載焊接結構（如圖1），能夠承受垂直、縱向、扭轉、自重、載重、牽引力、橫向力、制動力等動、靜載荷及作用力，使用期限30年內能承受正常載荷的作用而不產生永久變形和疲勞損傷，具有足夠的剛度和強度，滿足維修和糾正脫軌等要求，車體可承受的縱向壓縮和拉伸靜載荷分別不低於800kN和640kN。
圖1 Tc車體鋼結構
2.1 頂棚
頂棚鋼結構是由兩根上弦梁、數根彎梁、空調機組平臺、受電弓平臺（僅Mp車）、側頂板、波紋頂板等組焊在一起（如圖2）。波紋頂板採用縫焊，其餘板梁間均採用點焊。在車頂元件內側設有剛性連線梁及吊座裝配，用於安裝車內頂板、燈具、扶手和空調系統的送風道等部件，安裝牢固可靠。
空調機組平臺、受電弓平臺（僅Mp車）採用模組化設計，整體與車頂邊梁組焊，設計時充分考慮到平臺的強度和剛度，保證平整，確保裝置的正常使用。車頂能承受所支撐的負載及裝置保養人員。
圖2 頂棚結構
2.2 底架
底架元件由邊梁、橫樑、波紋地板和端底架元件焊接而成（如圖3）。底架骨架由兩根通長的冷彎滾軋不鏽鋼邊梁與不鏽鋼橫樑及端底架組焊成，骨架上面鋪設不鏽鋼波紋地板。牽引梁是承受和傳遞牽引力、制動力與衝擊力的主要部件，它由上下蓋板、立板、腹板焊接成箱形結構。枕梁是轉向架和車體的連線機構，由上蓋板、下蓋板、立板及加強板焊接成箱形結構，枕梁與轉向架上的空氣彈簧安裝座相連。枕梁和牽引梁均採用耐候鋼材料。底架邊梁為通長的HT級不鏽鋼冷彎型鋼，邊梁與橫樑之間用高強度不鏽鋼連線板連線成框架結構，連線板與不鏽鋼梁之間採用點焊焊接。所有橫樑均採用不鏽鋼壓型槽鋼，樑上開長圓孔，用來安裝電線管和制動管。端部底架的枕梁、牽引梁和內層邊梁、內層端梁均採用耐候結構鋼，內襯碳鋼與外部不鏽鋼採用塞焊焊接。枕梁、牽引梁和內層邊梁及內層端梁採用高耐候鋼，確保30年不用挖補修理。
圖3 底架結構
2.3 側牆
側牆主要由側牆骨架、牆板、門框、門上樑裝配等組成（如圖4）。側牆板採用裝飾性的BG拉絲板，不帶波紋和壓筋，側牆骨架樑柱以高強度不鏽鋼材料為主，樑柱斷面選用盆形，與外牆板點焊後形成箱形，從而加大斷面矩提高抗彎剛度。為防止在門區及端部出現蒙皮外板褶皺現象，增加內襯補強板與樑柱、蒙皮點焊一體。
側牆門角和窗角為應力集中區，再在窗角區域採用高強度級板補強。保證車體在縱向、垂向、扭轉等載荷作用下，強度、剛度滿足要求，門開、關運動自如。
圖4 側牆結構
2.4 端牆
端牆由不鏽鋼外板、立柱、橫樑和貫通道加強梁組成（如圖5），蒙皮與鋼結構骨架焊接方式採用點焊方式連線，整個框架能夠滿足列車連掛載荷和能量吸收的要求。端牆和底架、側牆、頂棚組焊為一體後，有效地防止列車相撞時客室的受損變形，保證乘客安全。
圖5 端牆結構
2.5 司機室
司機室玻璃鋼外罩內預埋鋼骨架，玻璃鋼與鋼骨架組成整體結構。司機室採用螺栓及焊接方式與車體連線;司機室前端底架上設有吸能區，可以吸收列車衝撞過程中的巨大沖擊能量，保護客室部分不損壞。玻璃鋼罩板需加強的部位預埋鋼板，整體玻璃鋼罩既有利於流線型司機室的實現，也有效地減輕了車重。
2.6 結構連線
司機室後端梁透過連線螺栓與側牆、底架連線好，後端梁的頂部再與頂棚進行塞焊連線;端牆與頂棚、側牆採用點焊焊接，端牆外蒙皮與底架採用塞焊焊接;側牆與底架邊梁採用點焊焊接;頂棚的側頂板與側牆採用點焊焊接。焊接前在相應位置均勻塗抹導電密封膠。
（a）司機室與頂棚連線 （b）端牆與頂棚連線
（c）端牆與側牆連線 （d）端牆與底架連線
（e）底架與側牆連線 （f）頂棚與側牆連線
圖6 結構連線圖
3 有限元分析
為驗證設計是否該合理，按照EN12663標準，採用有限元分析法對西安地鐵一號線車體進行靜強度、剛度分析。
3.1 有限元計算模型
基於有限元網格劃分軟體HyperMesh對車體進行有限元離散，並採用有限元分析軟體ANSYS對車體進行靜強度、剛度分析。
根據車體結構，建立車體相應結構和型材的中面線框並透過三維建模方法建立與之對應的'有限元分析所需的車體三維中面模型;
根據車體部件之間的焊接關係圖紙，在車體三維中面模型中，建立“鉚點”。“鉚點”轉化為單元結點，為點焊的“點對”準確位置的確定創造了條件;
根據車體部件的設計資料，將車體三維中面模型全部離散，由於“鉚點”的存在，點焊的點對隨之生成，車體有限元模型則以任意四節點薄殼單元為主，三節點薄殼單元為輔。
圖7 車體結構有限元模型
3.2 計算工況
其中：整備狀態下的車輛自重m1，轉向架重量m2，超員AW3。
3.3 計算結果
車體的剛度和靜強度分析結果：垂直靜載荷超員負載條件下，車體中心線上邊梁的垂向位移為11.6mm，Mp車體中心線上邊梁的垂向位移為10.3mm。根據EN12663標準。車體在超員負載（AW3）條件下，車體中心線上邊梁的靜態撓度不應超過車輛兩轉向架中心距的千分之一，即12.6mm。根據計算應力，車體在垂直載荷、縱向壓縮工況、縱向拉伸工況、救援工況、吊裝工況及扭轉載荷工況作用下，車體各部件的最大應力均未大於車體該部位所用材料的許用應力，車輛設計滿足要求。
4 車體靜強度試驗
2012年5月，由青島四方車輛研究所，按JIS E7105-2006《鐵道車輛車體的靜載荷試驗方法》和EN12663標準對車體鋼結構，進行垂向載荷試驗、車端壓縮載荷試驗、車端拉伸載荷試驗、扭轉試驗、三點支承試驗。試驗結果表明車體結構設計均滿足要求，並且與計算結果基本相符。
5 結束語
目前，西安地鐵一號線地鐵已正式運營，再次證明了車輛指標達到標準，西安地鐵一號線專案的順利進行為我司不鏽鋼車輛生產奠定了基礎。根據目前國內外城市軌道交通和地鐵車輛市場的需求，不鏽鋼車體的車輛將會被廣泛應用。