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國內(nèi)某A型地鐵采用八節(jié)編組，其編組方式為：A1*B1*C=D1*D2=C*B2*A2，A為帶司機室拖車，B、C、D均為動車。車輛為受電弓受流，采用電動塞拉門，雙重地板結(jié)構(gòu)。
為滿足車輛運營時的節(jié)能要求，需充分考慮車體結(jié)構(gòu)的輕量化，這就要求在滿足強度等指標(biāo)的前提下，對車體各部件進行優(yōu)化設(shè)計。本文論述了對該項目車體結(jié)構(gòu)各部件所作的優(yōu)化設(shè)計，并采用有限元分析驗證了車體結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞性能及耐碰撞性能，為后續(xù)項目的類似車體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。
車體為A型地鐵鼓形車體，采用大斷面鋁合金型材，整體焊接承載結(jié)構(gòu)。車體結(jié)構(gòu)采用模塊式設(shè)計，由底架、頂蓋、側(cè)墻、端墻、司機室五大模塊及車體附件組焊而成，具有良好的整體承載能力。車體斷面圖如圖1所示，整車三維模型如圖2所示。
車體主要技術(shù)參數(shù)如下：A車車體長度/mm23380B/C/D車車體長度/mm21880最大寬度/mm3092車輛定距/mm15700車鉤中心距軌面高度/mm720設(shè)計速度/（km.h）。
底架是車體的主要承載結(jié)構(gòu)，很大程度上決定著整個車體的強度和剛度。整個底架由長短地板、牽枕緩、底架邊梁、端梁等結(jié)構(gòu)組焊而成，在A車前端設(shè)置有防爬器，以滿足碰撞時的防爬車要求。該項目采用邊梁懸掛的設(shè)備布置方法，在進行底架邊梁設(shè)計時，伸出70mm的筋板用以安裝懸掛梁，同時對邊梁型材進行優(yōu)化以滿足設(shè)備沖擊強度的要求。針對以往項目曾經(jīng)出現(xiàn)過司機室下門角在靜強度試驗時應(yīng)力較大的情況，對該處結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，如圖3所示，通過增加圓弧結(jié)構(gòu)，門立柱與底架邊梁焊縫區(qū)域的高應(yīng)力點轉(zhuǎn)移到了圓弧區(qū)域的母材上，該處的應(yīng)力集中效應(yīng)得到了顯著的改善。
頂蓋由頂蓋邊梁、頂蓋長梁、支撐梁、空調(diào)底板、受電弓底板（僅B、D車有）以及頂蓋圓弧板組焊而成。在車體縱向1/4和3/4處設(shè)置下沉式空調(diào)安裝平臺。在本項目中，采用端送端回模式的空調(diào)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，回風(fēng)通過座椅下方及拐角頂板縫隙，從機組端部回到空調(diào)機組，回風(fēng)口與車內(nèi)不直接連通。與以往項目常采用的端送底回模式相比，該模式能夠有效降低空調(diào)機組噪聲，有效提高了乘客乘車的舒適度。圖為傳統(tǒng)的端送底回送回風(fēng)空調(diào)平臺結(jié)構(gòu)，圖為該項目采用的端送端回送回風(fēng)空調(diào)平臺結(jié)構(gòu)。側(cè)墻由側(cè)墻板和門立柱組焊而成，作為頂蓋和底架結(jié)構(gòu)的連接部件，側(cè)墻結(jié)構(gòu)直接影響車體的垂向承載和側(cè)偏剛度。該項目車體對側(cè)墻門立柱與頂蓋邊梁的連接部位作了優(yōu)化設(shè)計，取消了頂蓋邊梁型材的三角腔體，門立柱相應(yīng)延長至頂蓋邊梁主筋板處進行焊接，如圖所示。采用這種連接方式，在保證該位置強度的前提下縮短了頂蓋邊梁的機加工作業(yè)時間，提高了生產(chǎn)效率。
司機室采用準(zhǔn)流線形設(shè)計，前端設(shè)置有乘客緊急疏散門，側(cè)門采用電動塞拉門。考慮到以往項目在車體靜強度試驗時出現(xiàn)過司機室上縱梁斜撐與頂蓋端板連接位置出現(xiàn)應(yīng)力較大的情況，對該連接位置端板的厚度進行了優(yōu)化，由原來的5mm改為20mm，有效降低了該區(qū)域的應(yīng)力水平。對司機室門立柱和上縱梁的連接結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，避免了焊縫交疊的情況，降低了該位置的應(yīng)力集中效應(yīng)，如圖7所示。
采用A車作為分析對象，車體靜強度載荷工況的施加依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》和EN12663-1:2010《鐵道應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》等標(biāo)準(zhǔn)，共計算了標(biāo)準(zhǔn)要求的24個典型工況，其中部分關(guān)鍵工況的結(jié)果如表1所示。在表1所列的幾個危險工況中，車體最大的應(yīng)力均未超過其許用應(yīng)力，車體的靜強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在超載AW3工況下，車體底架邊梁的最大垂向位移為10.99mm，小于技術(shù)規(guī)格書要求的變形量（15.7mm），車體剛度滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。
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