磁浮交通作为一种新型的客运交通方式，具有启动快、爬坡能力强、转弯半径小、无摩擦、噪音低、安全、能耗低、无有害气体排放等多种优势，已经成为未来最主要的城市交通方式[1]。随着车辆的载重增加及速度提高，对列车的安全性、舒适性提出了更高的要求。车体是轨道车辆的主要承载结构，因而，对新设计的车体结构进行强度校核和试验验证是保证列车安全行驶的重要途径[2]。
本文依据EN12663-1:2010+A1:2014标准[3]，对新造磁浮轨道客车车体结构进行有限元仿真计算，验证其结构是否合理，并通过静强度试验，进一步验证车体结构强度满足标准要求，确保在实际运用中安全可靠。
1. 车体简介
1.1 构架结构
某磁浮车体为薄壁筒形整体承载铝合金全焊接结构，由底架、车顶、侧墙、端墙组成能承受垂直、纵向、横向、扭转等载荷。
车体主结构铝型材牌号为EN AW 6005A-T6，车体板材牌号为EN AW 5083-H111和EN W-5083-H321。
1.2 标准及评判方法
根据EN12663-1:2010+A1:2014标准建立车体各工况载荷的计算方法及试验工况，各点应力均不得大于材料的许用应力。
2. 有限元模型及分析
2.1 有限元模型建立
使用Hypermesh软件对构架三维模型进行离散化处理。建立车体有限元模型时，凡是对该车整体刚度及局部强度有贡献的结构，都予以考虑。为了计算的准确性，模型构成以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅。整车车体有限元模型共计单元总数2666728；节点总数2510812。
2.2 计算结果
利用ANSYS软件对车体结构进行仿真分析，得到各工况下计算结果。因需要对比的试验工况较多，而各工况的对比过程较为相似，通过对数据分析，得出车体在满载运营状态（AW3 状态）下车钩区域400KN压缩力工况最为恶劣，因此选择此工况进行对比更有研究意义。下图给出了该计算工况作用下静强度Von—Mises应力云图。
图2 整体应力云图
图3 局部应力云图
由上述工况计算结果可得，牵引梁下盖板204.6 MPa，小于材料屈服极限215MPa。牵引支撑梁和悬浮架安装横梁焊缝107.3 MPa，小于材料屈服极限115MPa，该磁浮车体主结构应力均小于材料的屈服极限。
3. 试验过程及分析
3.1 试验过程
车体制造完成后，在专业的车体试验台进行车体静强度试验。整车共布置168 个单向应变片和15个三向应变片（应变花），包括了整车所有试验工况下应力较大的位置，并对应变片进行调试与标定。
在进行车钩压缩工况时，首先在车体地板上方施加AW3 状态载荷，空调重心位置施加相当空调质量的集中载荷。然后进入该工况的试验数据采集阶段。车钩区域纵向压缩力为400kN，在试验过程中纵向压缩力分步递增施加，检查所有测试数据的线性度，线性度好说明数据有效。至少完成3 次完整的试验过程，保证试验数据具有较高的重复性。
3.2 试验数据分析
通过对试验真是数据分析，得出各测点等效应力。其中，牵引梁下盖板190.1 MPa，小于材料屈服极限215MPa。牵引支撑梁和悬浮架安装横梁焊缝108.1 MPa，小于材料屈服极限115MPa，二位端底架牵引支撑梁110.6MPa，小于材料屈服极限215MPa。该磁浮车体主结构应力均小于材料的屈服极限，该车体结构强度满足标准要求。
4. 仿真与试验数据对比
将相同位置的有限元分析结果与试验得出的等效应力结果进行对比分析。提取3个应力较大区域8个测点的仿真及试验结果进行对比分析，结果表明8各测点的仿真数据与试验数据误差在18%以内，在可接受的范围内。
应力变化趋势见图5，从车体端部到车体中心，依次为牵引梁下盖板、牵引支撑梁和悬浮架安装横梁焊缝、牵引支撑梁，其应力变化趋势为逐渐减小。仿真数据在牵引梁附近应力数值大于试验数据，应力传递到磁浮座时仿真数据与试验数据较为一致，应力传递到牵引支撑梁位置仿真数据小于试验数据。对牵引梁纵向应力变化趋势分析，仿真数据应力降幅较大，试验数据更趋稳定。一、二位端应力变化趋势相同，同时一位端为司机室端缺少司机室骨架，其应力大于二位端。
图5 不同位置应力变化趋势
3. 结论
1.本文依据EN12663-1:2010+A1:2014标准，利用ANSYS软件对某磁浮车体进行车体结构强度仿真，并进行静强度试验，结果显示：新研制磁浮车体强度满足标准要求，能够满足车辆运营要求。
2.通过对比可知，试验结果和仿真结果非常接近，同时证明该车体有限元模型及分析方法基本正确。仿真与试验的结果对比，从仿真数据分析，当应力从牵引梁到车体中心传递时，应力逐渐减小，数据变化较快；从试验结果看，当应力从牵引梁向车体中心传递时，一开始应力迅速下降，应力传递到磁浮座时，将趋于稳定。
参考文献
[1] 沈臻弘. 高速磁浮列车车体疲劳强度研究[D]. 上海:同济大学,2007.
[2] 刘春艳,丁海军. 轨道客车车体结构强度仿真分析与试验结果对比[J]. 铁道技术监督,2017.
[3] EN12663-1:2010+A1:2014. Railway applications- Structural requirements of railway vehicle bodies - Part 1: Locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons) [S]. 2014.
论文作者:黄金宝
论文发表刊物:《科学与技术》2019年13期
论文发表时间:2019/12/5
标签：车体论文; 应力论文; 工况论文; 结构论文; 数据论文; 强度论文; 磁浮论文; 《科学与技术》2019年13期论文;