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。其中不銹鋼地鐵車輛已成為當今地鐵車輛中的主流產品。
不銹鋼車體相對于其它種類車體具有以下優點：車體重量輕、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、車體表面無需涂裝。
1 西安地鐵一號線車輛主要參數（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》，類型歸屬于其中P-Ⅲ，即地下快速軌道交通車輛。
車體結構由底架、側墻、端墻、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于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）。波紋頂板采用縫焊，其余板梁間均采用點焊。在車頂組件內側設有剛性連接梁及吊座裝配，用于安裝車內頂板、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）采用模塊化設計，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，確保設備的正常使用。車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焊焊接。所有橫梁均采用不銹鋼壓型槽鋼，梁上開長圓孔，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、門框、門上梁裝配等組成（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，與外墻板點焊后形成箱形，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，增加內襯補強板與梁柱、蒙皮點焊一體。
側墻門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焊方式連接，整個框架能夠滿足列車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，有效地防止列車相撞時客室的受損變形，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體連接;司機室前端底架上設有吸能區，可以吸收列車沖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于流線型司機室的實現，也有效地減輕了車重。
2.6 結構連接
司機室后端梁通過連接螺栓與側墻、底架連接好，后端梁的頂部再與頂棚進行塞焊連接;端墻與頂棚、側墻采用點焊焊接，端墻外蒙皮與底架采用塞焊焊接;側墻與底架邊梁采用點焊焊接;頂棚的側頂板與側墻采用點焊焊接。焊接前在相應位置均勻涂抹導電密封膠。
（a）司機室與頂棚連接 （b）端墻與頂棚連接
（c）端墻與側墻連接 （d）端墻與底架連接
（e）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車體進行靜強度、剛度分析。
3.1 有限元計算模型
基于有限元網格劃分軟件HyperMesh對車體進行有限元離散，并采用有限元分析軟件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并通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系圖紙，在車體三維中面模型中，創建“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數據，將車體三維中面模型全部離散，由于“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于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，并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，西安地鐵一號線項目的順利進行為我司不銹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，不銹鋼車體的車輛將會被廣泛應用。
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