磁悬浮列车国产化车体静强度分析与优化方案
赵双敬 刘东军（唐山轨道客车有限责任公司 河北唐山 063035）
摘要：本文对本公司最近研制的磁悬浮列车车体结构在不同工况下进行了静强度计算分析，并根据计算结果对车体结构进行了优化，提出切实可行的优化方案，并对以后磁悬浮列车国产化结构设计提供了一个新的思路。
关键词：磁悬浮列车车体结构有限元分析静强度
一 概况
德国从20世纪70年代早期就开始开发磁悬浮技术，经过30年的持续努力，现在，德国的磁悬浮技术已可用于商业运营。之后美国，日本，韩国相继研制成功，并投入运营，我国从2002年引进德国技术，并在上海磁悬浮示范线成功运营，之后就开始磁悬浮技术的研制，并逐步实现磁悬浮技术的国产化，磁悬浮列车车体是磁悬浮列车技术中的核心技术之一，我公司一直致力于磁悬浮列车技术的开发、研制、国产化研究。
目前，我公司针对上海示范线磁悬浮列车最新形式进行研制生产，其中本文对列车车体结构在不同工况下的情况进行了静强度分析，并在此基础上提出结构的优化方案，促进了磁悬浮列车的国产化进度。
二 磁悬浮列车车体结构简介
最新研制的磁悬浮列车车体结构主要包括底架、侧墙、平顶、圆顶和端墙，设计重量为3.1t，每米承载量为200kg。
车体结构三维模型如图1所示：
图1磁悬浮列车车体三维模型
三 车体结构静强度分析
计算载荷和强度评估方法按照《EN12663-2000铁道应用--轨道车身的结构要求》，有限元建模及结构应力计算分别采用Hypermesh及ANSYS软件完成。
本次计算的磁悬浮车体所有的型材全部采用EN AW-6005A-T6材料，所有板材采用ENAW-5083-H111材料，车钩座为ENAW-6005A-T6材料，滑台为EN AW-5083-H111材料，本次计算没有蜂窝结构。
车体所用材料及其参数见表1。
根据计算任务书要求，本报告主要计算分析了10种工况，具体计算工况如下所示：
工况一，车钩高度400kN压缩载荷工况；
工况二，车钩高度320kN拉伸载荷工况；
工况四，外台车位顶车位提升整个车体，整备状态；
工况五，内台车位顶车位提升整个车体，整备状态；
工况六，车钩高度400kN压缩载荷+正常运营载荷工况；
工况七，车钩高度320kN拉伸载荷+正常运营载荷工况；
工况八，车顶中央200㎝2的面积上承受1000Ｎ的垂直载荷工况；
工况九，车顶中央纵向间距500mm两个400cm2的面积上分别承受1000N垂直载荷的工况；
工况十，车顶中央横向间距500mm两个400cm2的面积上分别承受1000N垂直载荷的工况；
使用大型有限元分析软件ANSYS对模型进行计算分析，计算结果表明，在工况1、2、3、6、7下，车体的最大应力都发生在车体底架与地板连接处，门角处，其值超出了车体焊缝的许用应力，其最大应力位置及应力值如表3所示：
由表3可知在工况下1、工况2、工况6、工况7下车体底架与底板局部应力最大值为179MPa，在工况3下，门角局部应力最大值为232.4MPa，大于焊缝材料的许用应力115MPa，不满足设计要求。
四 车体结构强度分析与优化方案
针对局部应力过大情况，在中间地板型材处增加补强筋，在型材内部也做了补强，补强方案如图2所示（第一补强方案）：
图2增加补强筋板后的模型（第一补强方案）
对第一次改进的模型即增加补强筋后的模型进行计算，计算结果表明，局部应力仍超出了材料的许用应力，超出许用应力的工况及应力最大位置如表4所示：
图3增加连接梁
图4上门角补强
对第二次改进的模型进行计算，结果显示C型槽与连接梁立板连接焊缝处最大应力为118MPa，上门角处最大应力值为125MPa，下门角处最大应力为117MPa，略大于焊缝的许用应力115MPa。因此对模型进行了第三次改进。将连接梁立板的厚度加厚为10mm，上门角补强板增大为80mm，厚度降低为6mm。下门角内侧增加60mm的补强板。修改后的模型如下图所示：
图5下门角内侧补强
图6上门角补强
对第三次改进的模型进行计算，改进后的模型最大应力位置及最大值如表5所示：
五 结论
1，原结构在工况下1、工况2、工况6、工况7下车体底架与底板局部应力最大值为179MPa，在工况3下，门角局部应力最大值为232.4MPa，大于焊缝材料的许用应力115MPa，不满足设计要求。
2，第一次改进的模型在显示地板连接处应力值最大为123.8MPa左右，比焊缝的许用应力值稍微偏高，需要进一步改进。
3，第二次改进的模型在C型槽与连接梁立板连接焊缝处最大应力为118MPa，上门角处最大应力值为125MPa，下门角处最大应力为117MPa，略大于焊缝的许用应力115MPa。因此对模型进行了第三次改进。
4，经过第三次优化后的车体模型在10种工况下的最大应力值为114.3MPa，小于车体焊缝许用应力值115MPa，满足设计要求。
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