大运量高安全性地铁车辆结构设计研发
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摘要：城市轨道交通凭借快速、便捷、安全、运量大和运输效率高等特性，成为城市公共交通的重要组成部分。高载客量，高安全性能和高速度等级地铁车辆已成为大中城市关注的方向。基于近期研发的A型地铁车辆为基础，从车辆结构的材料，结构设计，仿真分析的计算和试验的验证等方面阐述高载客量高安全性能车辆结构的设计研发。
关键词：车辆结构；高安全性；高载客量；不锈钢
1 车辆结构设计要求
A型不锈钢车辆，车辆宽度为3.1米，运行速度130km/h。八辆编组，五动三拖。车辆在正常载员工况下，包含座位，每列车载客323人。正常工况载员7人/平方米，超常工况载员9人/平方米，乘客质量按照65KG考虑。车辆运行速度高，载员多，设计寿命也较以往车辆的30年提高到40年。在车辆结构研发中，需充分考虑高度、强度、碰撞以及疲劳等性能的综合要求。
2 车辆结构及材料
车辆结构由车顶、底架、侧墙、后端墙和前端结构六大组件组成，各大部件之间通过焊接连接。主要采用SUS301L系列不锈钢材料，耐腐蚀性能好，多种不同强度等级材料可依据不同部位的设计进行选择。底架端部结构、司机室骨架结构、与转向架接口的枕梁结构等关键部件选用S500MC的高强度碳钢材料。
头车端部底架设有结构吸能区，采用阶梯式压溃设计概念，当车钩等吸能原件完成触发和能量吸收之后，剩余的碰撞能量将由车辆结构进行吸收，从而将碰撞事故产生的结构破坏控制在车辆的最前部，给司机和乘客足够的逃生空间，确保生命安全。
端部底架结构主要采用高耐候钢。边梁为主要承载部件，车辆的刚度和强度重要组成部件，设计成中空大断面矩形闭口冷弯型材结构。在它们之间布置不锈钢主横梁，底架上面铺设0.8mm厚度不锈钢波纹地板，断面形式进行优化设计，以保证车辆刚度。大设备的安装横梁采用高强度碳钢材料，其他位置主横梁选用SUS301L-DLT材料，500mm左右间距布置，根据电气设备安装需求，可适当调整。
车顶结构是由两根冷弯型钢边梁和侧顶板点焊组成车顶边梁结构，厚度选取2mm，材料选取SUS301L-ST，即保证冷弯成型又满足强度要求。数根拉弯成形的车顶弯梁点焊在一起，形成桁架结构，然后在桁架上铺设波纹顶板。局部弯梁根據车顶设备安装需求，采用帽形结构，厚度选用2mm。
侧墙结构主要由立柱、横梁、外板补强梁、门扣铁、窗框、外墙板等组成。主要为点焊结构，以SUS301L-HT材料为主，具有较高的强度。立柱断面采用帽形结构，与外板点焊后形成箱形结构，具有足够的抗弯性能。门口位置立柱厚度加大，满足车辆疲劳性能要求。立柱之间设计外板补强梁，采用屈服强度搞得SUS301L-HT材料，其断面形状类似双帽型结构，这种结构能具有较大截面系数，通过与外板的点焊，能够降低侧墙外板受载后的失稳，提升侧墙整体刚度。窗角和门角位置适当增加连接，焊点可以较密集布置，以30-50mm间距为主。
端墙端角柱由两个型材点焊连接组成中空矩形结构，提供良好的端部加载支撑，局部位置进行加强，在断面内增加支撑结构，增大刚度和强度。整体采用板梁点焊结构。端墙和侧墙连接位置焊接过渡C型横梁，端部加载时，起到很好的传力作用。司机室骨架在腰带位置进行加强，采用高强碳钢材料，弧焊为主。
提高车辆结构的整体刚度和疲劳性能，车顶和侧墙的连接，底架和侧墙的连接是关键点。加强侧墙立柱和底架边梁的连接，在侧墙立柱的根部点焊连接角铁，并将连接角铁弧焊至底架边梁上，使整个车辆在断面上呈现闭环连接。采用过渡连接方式，将车顶和侧墙在车辆纵向方向上全部建立连接。
3 仿真分析与验证
对车辆结构采用CATIA软件建立三维模型，并采用Hyper Mesh软件划分，对于重要部位实行局部细划，最后运用ANSYS有限元分析软件对该车体结构计算分析。经仿真分析，车辆结构就得静强度、模态、屈曲以及疲劳性能，均满足EN12663和BS 7608的要求。依据EN12663，选取部分关键工况进行静载试验，在车辆结构中选取关键位置，布置应变片，按照标准规定的工况，对实车进行加载。设计的头车和中间车均通过试验验证。
首先，采用1D能量分配方法，校核和确定吸能结构的设计。分析计算完成后，根据设计结构，生产1：1试验样件，对吸能结构进行碰撞试验，并与3D碰撞分析进行比对。试验结果满足标准要求。采用LS-Dyna软件进行车辆结构的碰撞性能模拟，整车碰撞分析结果表明，在碰撞工况下，车辆没有发生脱轨、防爬等事故，司机和乘客具有充分的逃生空间，车辆碰撞过程的平均减速度满足标准要求。
4 结语
通过计算分析和试验验证，车辆的防撞击、车体的强度等性能满足欧洲最新的技术标准。车体的纵向静压载荷达到180吨，是国内一般地铁车辆的2倍。车辆的头车设有“ 结构吸能区”，在碰撞情况下，参与吸能，车辆的安全性能更高。车辆最高可搭乘9人/平方米，更有效缓解城市轨道交通高峰时期的运载问题。
参考文献
[1]苏柯，谢红兵，岳译新.SUS301L系列不锈钢在轻量化城轨车辆车体上的应用[J].电力机车与城轨车辆，2010，06；
[2]内田博行，高魁源.日本不锈钢车辆技术[J].国外铁道车辆，2001（04）：
[3]姚曙光.轻型不锈钢车体结构研究[J].城市轨道交通研究，2004（5）：
（作者单位：中车长春轨道客车股份有限公司）
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