摘要
近年来，随着我国城市化进程不断加快，交通堵塞的问题愈演愈烈，现已成为当前我国各大城市发展的瓶颈期。从而大力发展公共交通，缓解交通拥堵的现状已经刻不容缓。地铁车辆作为载客量最大的城市轨道车辆在各大城市中得到了广泛的应用。而铝合金材料凭借其强度高、加工性能好、耐腐蚀性强和易于挤压成型等多项优点，在城市轨道车辆的车体结构中得到了广泛的应用。车体作为地铁车辆运行中的主要承载结构，其安全性能至关重要，直接影响到列车的正常运行及乘客的生命安全。 本文以某城市地铁铝合金中间车车体为研究对象，以有限元法为理论基础，分析车体结构特点，应用有限元仿真分析软件建立车体模型，对车体的静强度、刚度、模态、疲劳强度进行分析，并进行后续的优化。主要研究内容如下： （1）结合车体结构设计流程，详细介绍车体结构基本参数、主要材料、接口设计及部件组成，建立铝合金地铁中间车车体的有限元仿真模型，基于实际生产工艺流程，对车体的结构进行改进。 （2）依据标准GB/T7928计算了垂向超员载荷工况下车体底架边梁中部下翼缘的最大垂向位移为6.531mm，小于车辆定距的千分之一，即12.6mm，满足车体刚度要求。依据标准TB/T3550.1计算了扭转工况下的等效扭转刚度为6.42×108N·m2/rad，大于推荐的最小值，满足车体刚度要求。阐述了模态分析的基本理论，同时对铝合金地铁中间车车体进行刚结构模态，整备模态，超员模态进行分析，找出车体的一阶垂向弯曲振动频率和一阶扭转振动频率。计算得出车体刚结构一阶垂向弯曲的振动频率为20.86Hz，车体一阶扭转振动频率为24.92Hz；整备状态车体一阶垂向弯曲振动频率为8.46Hz，车体一阶扭转振动频率为19.83Hz。 （3）基于有限元法基本理论及EN12663-2010标准，结合铝合金地铁中间车车体强度校核任务，确定了铝合金中间车车体静强度计算的15个工况，在静强度工况作用下对中间车车体进行静强度分析，最终得出车体静强度的安全系数≥1.15，因此满足车体结构静强度的要求，并完成铝合金中间车车体的相关强度校核，为后续车体结构的进一步优化奠定了基础。 （4）基于EN12663-2010标准确定了疲劳强度计算的4个工况，依据BS7608-2014以及IIW-2015标准，详细介绍车体疲劳分析的标准及流程，之后根据以上标准对多个工况的累计损伤比进行计算，来对车体结构进行疲劳强度分析。利用名义应力法对4个疲劳工况作用下的车体进行疲劳强度评估，最后计算得出选取的疲劳薄弱位置的累积损伤均小于1。 （5）介绍了结构优化设计的基本理论，并且介绍了HyperStudy优化软件和OptiStruct优化软件的概述以及HyperStudy软件的优化流程，对车体各个部件的应力，位移、质量、模态灵敏度进行分析，然后对车体进行尺寸优化以及模态频率优化，目的是最小化整车的质量即轻量化。两次优化后车体减重11.37%，并且经验证两次优化后该车体结构的静强度均满足设计要求。
NETL