西安地鐵一號線(xiàn)車(chē)體鋼結構設計架構探討論文
前言
目前，國內很多城市已經(jīng)建設或正在籌劃建設地鐵，地鐵車(chē)輛市場(chǎng)前景非常有潛力。其中不銹鋼地鐵車(chē)輛已成為當今地鐵車(chē)輛中的主流產(chǎn)品。
不銹鋼車(chē)體相對于其它種類(lèi)車(chē)體具有以下優(yōu)點(diǎn)：車(chē)體重量輕、耐腐蝕性能強、防火性能高、維護成本低、全壽命周期（30年）成本底、車(chē)體表面無(wú)需涂裝。
1 西安地鐵一號線(xiàn)車(chē)輛主要參數（單位：mm）
車(chē)體長(cháng)度 Tc： 19500
T，M，Mp： 19000
車(chē)輛高度（不含受電弓）： 3800
車(chē)體寬度： 2800
地板面距軌面高度： 1100
兩轉向架中心距： 12600
車(chē)輛編組： +Tc–Mp-M-T–Mp–Tc+
2 結構方案
車(chē)體結構符合標準EN12663-2000 《鐵道車(chē)輛車(chē)體結構要求》，類(lèi)型歸屬于其中P-Ⅲ，即地下快速軌道交通車(chē)輛。
車(chē)體結構由底架、側墻、端墻、頂棚和司機室（僅Tc車(chē)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(dòng)力等動(dòng)、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(chǎn)生永久變形和疲勞損傷，具有足夠的剛度和強度，滿(mǎn)足維修和糾正脫軌等要求，車(chē)體可承受的縱向壓縮和拉伸靜載荷分別不低于800kN和640kN。
圖1 Tc車(chē)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(chē)）、側頂板、波紋頂板等組焊在一起（如圖2）。波紋頂板采用縫焊，其余板梁間均采用點(diǎn)焊。在車(chē)頂組件內側設有剛性連接梁及吊座裝配，用于安裝車(chē)內頂板、燈具、扶手和空調系統的送風(fēng)道等部件，安裝牢固可靠。
空調機組平臺、受電弓平臺（僅Mp車(chē)）采用模塊化設計，整體與車(chē)頂邊梁組焊，設計時(shí)充分考慮到平臺的強度和剛度，保證平整，確保設備的正常使用。車(chē)頂能承受所支撐的負載及設備保養人員。
圖2 頂棚結構
2.2 底架
底架組件由邊梁、橫梁、波紋地板和端底架組件焊接而成（如圖3）。底架骨架由兩根通長(cháng)的冷彎滾軋不銹鋼邊梁與不銹鋼橫梁及端底架組焊成，骨架上面鋪設不銹鋼波紋地板。牽引梁是承受和傳遞牽引力、制動(dòng)力與沖擊力的主要部件，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(chē)體的連接機構，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。枕梁和牽引梁均采用耐候鋼材料。底架邊梁為通長(cháng)的HT級不銹鋼冷彎型鋼，邊梁與橫梁之間用高強度不銹鋼連接板連接成框架結構，連接板與不銹鋼梁之間采用點(diǎn)焊焊接。所有橫梁均采用不銹鋼壓型槽鋼，梁上開(kāi)長(cháng)圓孔，用來(lái)安裝電線(xiàn)管和制動(dòng)管。端部底架的枕梁、牽引梁和內層邊梁、內層端梁均采用耐候結構鋼，內襯碳鋼與外部不銹鋼采用塞焊焊接。枕梁、牽引梁和內層邊梁及內層端梁采用高耐候鋼，確保30年不用挖補修理。
圖3 底架結構
2.3 側墻
側墻主要由側墻骨架、墻板、門(mén)框、門(mén)上梁裝配等組成（如圖4）。側墻板采用裝飾性的BG拉絲板，不帶波紋和壓筋，側墻骨架梁柱以高強度不銹鋼材料為主，梁柱斷面選用盆形，與外墻板點(diǎn)焊后形成箱形，從而加大斷面矩提高抗彎剛度。為防止在門(mén)區及端部出現蒙皮外板褶皺現象，增加內襯補強板與梁柱、蒙皮點(diǎn)焊一體。
側墻門(mén)角和窗角為應力集中區，再在窗角區域采用高強度級板補強。保證車(chē)體在縱向、垂向、扭轉等載荷作用下，強度、剛度滿(mǎn)足要求，門(mén)開(kāi)、關(guān)運動(dòng)自如。
圖4 側墻結構
2.4 端墻
端墻由不銹鋼外板、立柱、橫梁和貫通道加強梁組成（如圖5），蒙皮與鋼結構骨架焊接方式采用點(diǎn)焊方式連接，整個(gè)框架能夠滿(mǎn)足列車(chē)連掛載荷和能量吸收的要求。端墻和底架、側墻、頂棚組焊為一體后，有效地防止列車(chē)相撞時(shí)客室的受損變形，保證乘客安全。
圖5 端墻結構
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。司機室采用螺栓及焊接方式與車(chē)體連接;司機室前端底架上設有吸能區，可以吸收列車(chē)沖撞過(guò)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于流線(xiàn)型司機室的實(shí)現，也有效地減輕了車(chē)重。
2.6 結構連接
司機室后端梁通過(guò)連接螺栓與側墻、底架連接好，后端梁的頂部再與頂棚進(jìn)行塞焊連接;端墻與頂棚、側墻采用點(diǎn)焊焊接，端墻外蒙皮與底架采用塞焊焊接;側墻與底架邊梁采用點(diǎn)焊焊接;頂棚的側頂板與側墻采用點(diǎn)焊焊接。焊接前在相應位置均勻涂抹導電密封膠。
�。╝）司機室與頂棚連接 （b）端墻與頂棚連接
�。╟）端墻與側墻連接 （d）端墻與底架連接
�。╡）底架與側墻連接 （f）頂棚與側墻連接
圖6 結構連接圖
3 有限元分析
為驗證設計是否該合理，按照EN12663標準，采用有限元分析法對西安地鐵一號線(xiàn)車(chē)體進(jìn)行靜強度、剛度分析。
3.1 有限元計算模型
基于有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh對車(chē)體進(jìn)行有限元離散，并采用有限元分析軟件ANSYS對車(chē)體進(jìn)行靜強度、剛度分析。
根據車(chē)體結構，建立車(chē)體相應結構和型材的中面線(xiàn)框并通過(guò)三維建模方法建立與之對應的'有限元分析所需的車(chē)體三維中面模型;
根據車(chē)體部件之間的焊接關(guān)系圖紙，在車(chē)體三維中面模型中，創(chuàng )建“鉚點(diǎn)”�！般T點(diǎn)”轉化為單元結點(diǎn)，為點(diǎn)焊的“點(diǎn)對”準確位置的確定創(chuàng )造了條件;
根據車(chē)體部件的設計數據，將車(chē)體三維中面模型全部離散，由于“鉚點(diǎn)”的存在，點(diǎn)焊的點(diǎn)對隨之生成，車(chē)體有限元模型則以任意四節點(diǎn)薄殼單元為主，三節點(diǎn)薄殼單元為輔。
圖7 車(chē)體結構有限元模型
3.2 計算工況
其中：整備狀態(tài)下的車(chē)輛自重m1，轉向架重量m2，超員AW3。
3.3 計算結果
車(chē)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(chē)體中心線(xiàn)上邊梁的垂向位移為11.6mm，Mp車(chē)體中心線(xiàn)上邊梁的垂向位移為10.3mm。根據EN12663標準。車(chē)體在超員負載（AW3）條件下，車(chē)體中心線(xiàn)上邊梁的靜態(tài)撓度不應超過(guò)車(chē)輛兩轉向架中心距的千分之一，即12.6mm。根據計算應力，車(chē)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(chē)體各部件的最大應力均未大于車(chē)體該部位所用材料的許用應力，車(chē)輛設計滿(mǎn)足要求。
4 車(chē)體靜強度試驗
2012年5月，由青島四方車(chē)輛研究所，按JIS E7105-2006《鐵道車(chē)輛車(chē)體的靜載荷試驗方法》和EN12663標準對車(chē)體鋼結構，進(jìn)行垂向載荷試驗、車(chē)端壓縮載荷試驗、車(chē)端拉伸載荷試驗、扭轉試驗、三點(diǎn)支承試驗。試驗結果表明車(chē)體結構設計均滿(mǎn)足要求，并且與計算結果基本相符。
5 結束語(yǔ)
目前，西安地鐵一號線(xiàn)地鐵已正式運營(yíng)，再次證明了車(chē)輛指標達到標準，西安地鐵一號線(xiàn)項目的順利進(jìn)行為我司不銹鋼車(chē)輛生產(chǎn)奠定了基礎。根據目前國內外城市軌道交通和地鐵車(chē)輛市場(chǎng)的需求，不銹鋼車(chē)體的車(chē)輛將會(huì )被廣泛應用。
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