基于有限元的模块化地铁轨道车车体结构设计

（中车北京二七机车有限公司，北京100072）

摘

要：作为模块化地铁轨道车，车体模块结构是整车组成的主要部分之一，也是主要设备承载体，其通用性、安全性和可靠性是车

体设计的重要目标。现通过PRO/E对车体进行建模，依据相应的设计标准，利用HYPERMES和ANSYS软件对车体进行静强度分析，以保证车辆在设计和营运工况中具有足够的刚度和强度。分析结果为系列化模块车体的设计和批量生产提供了重要参考依据。

关键词：模块化；车体；强度设计；载荷工况

0引言

随着我国轨道交通行业的迅速发展，轨道车辆的需求也

与日俱增。系列化轨道车辆车体模块的设计，可以保证设计和制造周期，满足用户的个性化需求，降低生产制造成本。通过有限元仿真计算指导车体结构设计，不仅能够提高计算模型的准确度，同时可为车体的结构设计改进提供重要依据[1]。

1车体结构模块化车体结构由牵引梁模块、边梁模块、枕梁模块、室

体模块与不同功率等级的机组梁模块等组合，依据模块化车体整车布局要求进行车体各部位设计，车体为大型板材和型钢拼接组焊而成的框架式整体承载结构，能够保证该车体结构具有足够的强度和刚度。模块化设计的目的是以品种、规格尽可能少的模块组合成尽可能多的各种规格的产品，以满足用户的个性化需求[2]。1.1车体组成

车体主要由边梁式承载结构车架、动力室体以及Ⅰ、Ⅱ端司机室组成。其中，司机室与车架为螺栓连接；车架和动力室使用的材料为Q345B和Q345E型材和板材，材料属性如表1所示；车体侧墙、车架的结构为插接和搭接形式，不仅提高了焊接性能，而且能保证车体组焊后的外形最大轮廓在要求的设计制造公差之内。

表1主要材料及其材料属性

材料名称密度/（kg/mm3）弹性模量/MPa

泊松比屈服强度/MPa

Q345E7.8e-062.06e+050.3345Q345B

7.8e-06

2.06e+05

0.3

345

简化非承载结构，建立车体模型结构，如图1所示。

图1车体模型

车体强度和焊接强度按照TB/T1335—1996《铁道车辆强

度设计及试验鉴定规范》[3]

和EN12663：2010《铁路应用铁道车辆车体结构要求》[4]标准要求进行设计。依据车体内各大部

件的安装方式进行车架的设计，尽量满足模块化各车型功率等级机组布置；同时，根据大部件的固定方式和检修要求，布置侧墙、隔墙、安装座和机组梁的位置。1.2车架组成

车架主要由牵引梁、枕梁、边梁、机组梁组成，边梁在长度方向上纵向贯通，牵引梁和枕梁与边梁组焊在一起，通过牵引梁、枕梁、机组梁的搭接接头满足车体宽度方向和纵向长度上的结构调整，有利于保证车体的整体结构尺寸。1.3室体组成

侧墙由方形钢管、折压件和3mm蒙皮板材组焊而成。其中，侧墙上边梁、百叶窗、玻璃窗的上下边梁由型钢和折压件组焊而成，窗户大小和位置可由模块化的不同系列进行匹配布置，窗口是加工后组焊而成的。

主要设备及其重量如表2所示。

表2主要设备及其重量

序号设备名称重量/kg1Ⅰ端司机室27302空压机3003动力室钢结构40204冷却装置7315柴油机+传动箱29646Ⅱ端司机室41907

燃油箱（加燃油）18598

柴油发电机组

1160

2模块化车体强度计算根据车体模型设计并进行模型简化，借助有限元计算对

车体钢结构进行刚度和强度校核，主要采用标准为EN12663：2010《铁路应用铁道车辆车体结构要求》和TB/T1335—1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》。

计算载荷工况如表3所示。

3边界条件在车体结构强度有限元计算中，车体设备质量以质量单

元的形式在计算模型中考虑，其他载荷根据载荷的作用方式分别以面载荷和节点载荷的形式作用于相关位置。约束条件

根据不同的载荷工况具体确定，主要作用于转向架和车体支撑面上。车体结构离散为三维壳单元、实体单元，设备质量离散为三维质量单元，设备质量与车体结构的连接采用三维梁单元模拟[5]。

123《设计与分析◆ShejiyuFenxi

表3计算载荷和约束

序号工况名称

载荷大小及施加方法

许用应评定力/MPa标准1

最大工作①重量以1.3倍重力加速度的形式施加216

TB/T载荷工况

②较大设备质量施加于设备质心处

1335

③其余重量均布在车架上平面（整车重量52t）

2拉伸工况①纵向980kN拉伸力作用于车钩前从板216TB/T②重量以重力加速度的形式施加1335

③其余同计算工况1②、③

3压缩工况①纵向1180kN压缩力作用于车钩后从板216TB/T②重量以重力加速度的形式施加1335

③其余同计算工况1②、③

4救援工况①在Ⅱ位端转向架与车架的连接吊耳处300EN施加Ⅱ位端转向架的重量12663

②重量以重力加速度的形式施加③其余同计算工况1②、③

5整车起吊①在两端转向架与车架的连接吊耳处施300EN工况

加相应转向架的重量

12663

②重量以重力加速度的形式施加③其余同计算工况1②、③

6架车工况同计算工况5

300EN126637

扭转工况

①在对角线的两个旁承处施加40kN·m的300

EN扭转力

12663

②重量以重力加速度的形式施加③其余同计算工况1②、③

4车体静强度计算结果4.1刚度计算结果

通过有限元软件ANSYS进行分析，在工况1条件下，即1.3

倍整备重量工况下，车架的垂向最大挠度为向下的4.22mm，发生在牵引梁前端板部位，如图2所示。结论：刚度要求满足整车0～10mm的要求。

图2工况1刚度结果

4.2静强度计算结果与分析

利用有限元分析软件ANSYS，依据7个工况进行加载并约

束后进行求解，得到工况1至工况7的计算结果。

强度分析：由图3应力云图可以看出，车体最大应力109MPa，位于Ⅱ端枕梁旁承部位，而材料的许用应力值为216MPa，因此，该工况下车架强度合格。

强度分析：由图4应力云图可以看出，车体最大应力145MPa，位于牵引梁从板处，而材料的许用应力为216MPa，因此，该工124（a）整体视图

（b）Ⅱ端牵引梁位置

图3计算工况1应力云图

况下车架强度合格。

（a）仰视图

（b）牵引梁位置

图4计算工况2应力云图

强度分析：由图5应力云图可以看出，车体最大应力209MPa，位于Ⅰ端动力室和车架连接处，该位置为应力集中区域，而材料的许用应力为216MPa，因此，该工况下车架强度合格。

（a）整体视图

（b）仰视图

图5计算工况3应力云图

强度分析：由图6应力云图可以看出，车体最大应力258MPa，位于Ⅱ车体的吊车孔部位，而材料的许用应力为300MPa，因此，该工况下车架强度合格。

强度分析：由图7应力云图可以看出，车体最大应力247MPa，位于Ⅱ车体的吊车孔部位，而材料的许用应力为300MPa，因此，该工况下车架强度合格。

强度分析：由图8应力云图可以看出，车体最大应力209MPa，位于车体的动力室和车架连接处，而材料的许用应力为300MPa，因此，该工况下车架强度合格。

强度分析：由图9应力云图可以看出，车体最大应力177MPa，位于车架的旁承孔内部，而材料的许用应力为300MPa，因此，该工况下车架强度合格。

在各计算工况作用下，对车体强度计算结果汇总如表4所示。

5结语本文结合铁路行业的相关标准规范，详细地对模块化地

铁轨道车车体结构进行了刚度和强度工况的结构设计。针对轨道车车体组成的各模块进行了详细分析，确定了最大危险

ShejiyuFenxi◆设计与分析（a）整体视图

（b）Ⅱ端吊车孔位置

图6计算工况4应力云图

（a）整体视图

（b）Ⅱ端吊车孔位置

图7计算工况5应力云图

125设计与分析◆ShejiyuFenxi

（a）整体视图

（b）架车座位置

图8计算工况6应力云图

（a）整体视图

（b）Ⅱ端牵引梁与动力室连接处

图9计算工况7应力云图

126表4各计算工况作用下车架静强度计算结果汇总

工况Von.Mises最许用应大应力/MPa

发生部位力/MPa评价计算工况1109边梁下盖板216合格计算工况2145前从板

216合格计算工况3209机组梁与Ⅱ端枕梁连接处

216合格计算工况4258Ⅱ端吊车孔位置300合格计算工况5247Ⅱ端吊车孔位置300合格计算工况6209Ⅱ端牵引梁与动力室连接处

300合格计算工况7

177

枕梁隔板

300

合格

工况，在此基础上，采用有限元方法，对车体结构进行了结构分析，得到了车架梁的应力分布状况和变形状况。分析结果表明，设计符合相应的标准要求。同时，本文的研究为模块化地铁轨道车车体结构的设计提供了重要的参考依据。

［参考文献］

[1]鲍维千.机车总体及转向架[M].北京：中国铁道出版社，

2012.

[2]吴昌华.赴西德实习考察报告之四———

车体部分[J].国外内燃机车，1981（12）：46-53.

[3]铁道车辆强度设计及试验鉴定规范：TB/T1335—1996[S].[4]铁路应用铁道车辆车体结构要求：EN12663：2010[S].[5]商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出

版社，2005.

收稿日期：2018-05-04

作者简介：常天飞（1984—），男，辽宁兴城人，工程师，研究方向：钢结构工艺管理。