摘要：结合铝合金车体设计的要求，详细分析了车体设计的思路与方法，并对其实施要点做详细的研究。从本次研究结果得知，在铝合金车体结构设计中，采用本文所介绍的方法就可以增强车体整体结构的稳定性，因此值得推广。
关键词：铝合金；车体结构设计；结构强度
前言：在当前的车体结构设计中，铝合金因为具有耐腐蚀、质量轻等优点，因此成为车体设计的理想材料。因此，为了确保机车车辆可以在正常的工作环境下稳定运行，采用铝合金材质的车体结构，具有理想的强度水平，且符合国家的相关技术标准。结合未来车体结构研究的深入，铝合金车体设计逐渐得到越来越多人的关注，因此成为本文研究的重点内容。
1.铝合金车体整体设计思路
1.1车体结构的设计
在铝合金头车的结构设计中，侧墙主要采用大型开口弯曲型材料的焊接结构，其中，在窗与窗、门与窗的结构设计中，在门口周围选择了大型的弯曲选材模式；在门与窗口的设计中，采用了补强的设计思路，通过这种方法可以最大程度上避免因梁焊接以及板焊接结构等而造成的墙板变形问题。
同时在车顶的设计中采用了自承载的结构模式，并且在确保有足够刚度密封的环境下，采用中空挤压型材的方法直接插接而成。在型材内侧的设计中，风道、内顶等选择了C形槽的设计工艺，通过大型挤压型材的方法直接成型。除此之外，上边梁的车顶采用了与侧墙共用的模式，车顶的详细结构如图1所示：
图 1 车顶局部结构示意图
在图1所介绍的车顶局部结构的基础上，在侧墙设计中选择了中空挤压型材的工艺，在插接形成之后，其纵向的对接接头直接选择了MIG焊接模式，这样在成型之后可以直接切除窗空，具有技术先进性。
在机车底架变量设计中，将内劲板的厚度设计为4mm，外壁厚度约为5mm，这种参数技术标准可以保证整体结构具有理想的焊接性；在设计阶段，简化安装模式，并通过增加地板悬挂能力，在长地板的基础上增加了大量的C形槽，让地板具有理想的稳定性。
1.2司机室的结构设计
本文所介绍的司机室主要采用了流线性的设计方法，通过这种设计结构让机车骨架具有更理想的稳定性，出于对车辆正常运行的要求，在司机室的结构设计中需要重点考虑以下几方面的问题：（1）司机室结构需具有理想的强度水平；（2）最大化的结合司机室的空间结构，提高司机驾驶过程中的舒适性；（3）考虑未来车辆改造升级的要求，需要预留足够的安装空间。在这种结构设计要求的基础上，其设计的重难点主要集中在以下几方面：
1.2.1结构主横梁与支撑立柱的设计。在结构设计中需要考虑到整个结构设计的可靠性，所以在结构设计中可以考虑增加主横梁与门立柱的焊接缝长度，并在这种设计体系的基础上，预留头罩的处理空间[1]。同时门柱与主横梁的焊接区域应该从车辆结构的整体性出发，尽可能避开门柱弯折区。最后，在设计阶段需要考虑司机操作台的特殊性，应该确保司机具有开拓的视野，所以在安装阶段应该重点放在主横梁上，保证主横梁的高度超过司机的视野区。
1.2.2纵梁。在司机室门的设计中，考虑到门柱变形等因素，应该考虑主横梁纵向挤压的问题，所以为了避免门立柱变形等问题的发生，在设计过程中需要采用分散纵向力的设计方法，通过设置主横梁与纵梁的方法，将力逐渐传递到门立柱的上部位置。在这种情况下，纵梁的仰角、折弯半径等成为整个设计的重点内容。
1.2.3弯横梁。在弯横梁的结构设计中，设计的重点内容就是要选择U型板材截面、撑板及其弯曲半径等。
2.有限元分析
为了可以充分了解车体结构设计结果的科学性，采用有限元分析的方法，对其进行识别。
2.1有限元模型的构建
为了可以充分了解铝合金材料在车体设计中的应用情况，在了解车体结构特征以及材料力学情况的基础上，采用有限元软件，构建车体的有限元模型。该有限元模型设计过程中，考虑到铝合金车辆的零部件选择了薄壁构件的模式，因此在车体结构的设计中，选择了壳单元的shell63模拟的方法。在底架设备以及空调、门窗等方面的设计要求中，根据质量单元的要求，在设计中选择了MASS21的形式，将其施加在相对应的位置上。除此之外，在悬挂结构设计中，通过弹簧单元的combin14的模拟分析的方法，可以获得相对完整的模型数据资料[2]。
同时在铝合金的车体结构上，考虑到车体的主要结构以承载部件为核心，在此基础上，通过大型中空截面挤压成型的方法，用铆钉、焊接等方法连接而成。所以根据这种方针要求，可以考虑对铆钉（或螺栓）的连接情况进行模拟，再通过方针计算分析的方法，确保其可以真实的反映出车辆的设计结果。基于上述要求，本文所设计的铝合金车体模型结构如图2所示：
图 2 铝合金车体的设计模型结构
在模型的设计过程中，考虑到车体结构本身应具有对称性的要求，可以节省整体设计时间，在本次研究中将会采用半车体模型结构，整个结算的模型识别中，确定的节点数量为176332个。
2.2铝合金车体工况的计算
在本文研究阶段，根据国内外相关学者在铝合金车体技术中的结论，根据我国《地铁车辆通用技术条件》的相关内容，确定了铝合金车体的多种工况，工况的详细资料为：
2.2.1超常垂直荷载情况。在这种工况下主要以正常的铝合金车体结构为研究对象，来评估超常垂直荷载下所产生的变形情况。
2.2.2整体状态下的车钩压缩荷载情况。在状态识别中，采用车钩牵引装置的方法来施加一定的静态荷载情况，可以对车体整体上的挂钩、冲撞条件等状态信息进行评估和判断。
2.2.3整备状态下的地板高度端部荷载变化、在荷载水平的识别中，通过施加250kN的静态压缩荷载，对车体结构的装填变化情况做出仿真分析。
2.2.4整备状态下的防爬器位置组合荷载变化情况。在铝合金车体结构上，增加一个垂直荷载与压缩荷载，判断车辆结构所产生的状态变化。
2.3车体变形的仿真分析
现在确定了上述的四种仿真标准之后，根据模拟仿真分析的要求做应力分析，并在设计中选择使用应力为材料的极限应力变化后，除以相应的安全系数，就可以了解许用应力的详细参数。在此基础上，本文根据上述仿真标准进行分析，并按照设计工况出现的概率变化情况等，确定详细的数据变化情况，最终的仿真分析结果见表1。
在表1的车辆结构状态变化的情况下，可获得各种工况下的危险点应力云图。研究结果显示，不同工况下的车体结构以及焊缝的计算应力情况
等，均明显小于相应的许用应力变化情况，因此证明这种设计方法基本满足车辆结构稳定性的要求。
表 1 车辆结构的状态变化（MPa）
2.4模态分析结果
通过模态分析的方法，能够对车辆结构的稳定性做出识别，其中固有频率会直接影响车体的稳定性，所以在本次分析中，采用拉格朗日的算法，计算车辆结构在整备状态下所反馈的自由模态数据，最终结果显示，车辆的整体垂向的频率为9.82HZ、整车扭转的频率为15.80Hz、整车侧偏＋隔墙的频率为12.37Hz，基本满足机车正常运行的要求。
结论：铝合金在车体结构设计中发挥着重要作用，从本文的研究结果可知，本文所介绍的铝合金车体结构设计思路具有一定的科学性，基本可以满足车辆运行的要求，并且在技术上具有可行性，因此应该成为设计的主要方法，并做进一步的推广。
参考文献：
[1]李卫，郭雪艳.城铁车辆铝合金车体底架钻孔装置的结构设计[J].现代机械，2019（01）：40-42.
[2]曹志浩.地铁铝合金车体轻量化设计与结构设计[J].数字通信世界，2019（02）：169.
论文作者:程艳龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/1
标签：车体论文; 结构论文; 铝合金论文; 结构设计论文; 荷载论文; 方法论文; 车辆论文; 《基层建设》2019年第10期论文;