西安地鐵一號線車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計架構(gòu)探討論文
前言
目前，國內(nèi)很多城市已經(jīng)建設(shè)或正在籌劃建設(shè)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(chǎn)品。
不銹鋼車體相對于其它種類車體具有以下優(yōu)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(shù)（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(zhuǎn)向架中心距： 12600
車輛編組： +Tc–Mp-M-T–Mp–Tc+
2 結(jié)構(gòu)方案
車體結(jié)構(gòu)符合標準EN12663-2000 《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、端墻、頂棚和司機室（僅Tc車有）等構(gòu)成的薄壁筒型整體承載焊接結(jié)構(gòu)（如圖1），能夠承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)、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(nèi)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(jié)構(gòu)
2.1 頂棚
頂棚鋼結(jié)構(gòu)是由兩根上弦梁、數(shù)根彎梁、空調(diào)機組平臺、受電弓平臺（僅Mp車）、側(cè)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(nèi)側(cè)設(shè)有剛性連接梁及吊座裝配，用于安裝車內(nèi)頂板、燈具、扶手和空調(diào)系統(tǒng)的送風道等部件，安裝牢固可靠。
空調(diào)機組平臺、受電弓平臺（僅Mp車）采用模塊化設(shè)計，整體與車頂邊梁組焊，設(shè)計時充分考慮到平臺的強度和剛度，保證平整，確保設(shè)備的正常使用。車頂能承受所支撐的負載及設(shè)備保養(yǎng)人員。
圖2 頂棚結(jié)構(gòu)
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(shè)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(jié)構(gòu)。枕梁是轉(zhuǎn)向架和車體的連接機構(gòu)，由上蓋板、下蓋板、立板及加強板焊接成箱形結(jié)構(gòu)，枕梁與轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(nèi)層邊梁、內(nèi)層端梁均采用耐候結(jié)構(gòu)鋼，內(nèi)襯碳鋼與外部不銹鋼采用塞焊焊接。枕梁、牽引梁和內(nèi)層邊梁及內(nèi)層端梁采用高耐候鋼，確保30年不用挖補修理。
圖3 底架結(jié)構(gòu)
2.3 側(cè)墻
側(cè)墻主要由側(cè)墻骨架、墻板、門框、門上梁裝配等組成（如圖4）。側(cè)墻板采用裝飾性的BG拉絲板，不帶波紋和壓筋，側(cè)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(qū)及端部出現(xiàn)蒙皮外板褶皺現(xiàn)象，增加內(nèi)襯補強板與梁柱、蒙皮點焊一體。
側(cè)墻門角和窗角為應力集中區(qū)，再在窗角區(qū)域采用高強度級板補強。保證車體在縱向、垂向、扭轉(zhuǎn)等載荷作用下，強度、剛度滿足要求，門開、關(guān)運動自如。
圖4 側(cè)墻結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)
2.5 司機室
司機室玻璃鋼外罩內(nèi)預埋鋼骨架，玻璃鋼與鋼骨架組成整體結(jié)構(gòu)。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(shè)有吸能區(qū)，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(xiàn)，也有效地減輕了車重。
2.6 結(jié)構(gòu)連接
司機室后端梁通過連接螺栓與側(cè)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(cè)墻采用點焊焊接，端墻外蒙皮與底架采用塞焊焊接;側(cè)墻與底架邊梁采用點焊焊接;頂棚的側(cè)頂板與側(cè)墻采用點焊焊接。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
（c）端墻與側(cè)墻連接 （d）端墻與底架連接
�。╡）底架與側(cè)墻連接 （f）頂棚與側(cè)墻連接
圖6 結(jié)構(gòu)連接圖
3 有限元分析
為驗證設(shè)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(wǎng)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(jù)車體結(jié)構(gòu)，建立車體相應結(jié)構(gòu)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(jù)車體部件之間的焊接關(guān)系圖紙，在車體三維中面模型中，創(chuàng)建“鉚點”�！般T點”轉(zhuǎn)化為單元結(jié)點，為點焊的“點對”準確位置的確定創(chuàng)造了條件;
根據(jù)車體部件的設(shè)計數(shù)據(jù)，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(jié)點薄殼單元為主，三節(jié)點薄殼單元為輔。
圖7 車體結(jié)構(gòu)有限元模型
3.2 計算工況
其中：整備狀態(tài)下的車輛自重m1，轉(zhuǎn)向架重量m2，超員AW3。
3.3 計算結(jié)果
車體的剛度和靜強度分析結(jié)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(jù)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(tài)撓度不應超過車輛兩轉(zhuǎn)向架中心距的千分之一，即12.6mm。根據(jù)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(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)試驗、三點支承試驗。試驗結(jié)果表明車體結(jié)構(gòu)設(shè)計均滿足要求，并且與計算結(jié)果基本相符。
5 結(jié)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(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)目前國內(nèi)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。
【西安地鐵一號線車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計架構(gòu)探討論文】相關(guān)文章：
地鐵空間設(shè)計研究論文10-24
電子政務(wù)風險管理組織架構(gòu)探討論文11-26
地鐵招貼設(shè)計分析論文11-19
庫存管理Struts架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計思考論文10-23
庭院設(shè)計探討論文11-11
標志色彩設(shè)計探討的論文11-10