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不銹鋼車體具有強(qiáng)度一重量比高，耐腐蝕性強(qiáng)，安全性高，使用壽命長和維護(hù)量少的特點(diǎn)，因此不銹鋼車體對于列車輕量化、降低車輛和線路的維護(hù)費(fèi)用有著重要意義。目前不銹鋼車體已經(jīng)在國外的城軌車輛中有了廣泛的應(yīng)用。我國近年來也開始了對不銹鋼車體的研究開發(fā)。不銹鋼車輛相對傳統(tǒng)的碳鋼車輛而言，除了在材料上的區(qū)別外，還有著自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為確保機(jī)車車輛在工作狀態(tài)下的安全可靠，不銹鋼車體結(jié)構(gòu)同樣要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而在施工設(shè)計(jì)后進(jìn)行有限元分析計(jì)算可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性和結(jié)構(gòu)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并對車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。本文結(jié)合國內(nèi)某地鐵不銹鋼車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了車體結(jié)構(gòu)的有限元模型，對其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。
該地鐵不銹鋼車輛屬于B型車，包括頭車和中間車，其車體主要承載件，除頭車司機(jī)室和牽枕緩部件由鋼構(gòu)件焊接而成外，其余構(gòu)件均由不銹鋼SUS301和SUS304焊接而成，主要焊接形式是點(diǎn)焊和圓弧焊。頭車車體結(jié)構(gòu)包括司機(jī)室、側(cè)墻、底架、車頂和端墻5部分；中間車車體結(jié)構(gòu)不帶司機(jī)室，端墻為前后兩個(gè)，其余結(jié)構(gòu)與頭車基本相同。以下分析主要結(jié)合中間車車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行。不銹鋼中間車車體鋼結(jié)構(gòu)采用整體承載無中梁的薄壁筒形結(jié)構(gòu)。底架骨架主要由牽引梁、枕梁、緩沖梁、中部橫梁和連接板組成。為了滿足強(qiáng)度要求，在枕梁及枕梁以外的牽引梁處均加了補(bǔ)強(qiáng)板。為了使力傳遞到車體中部，在枕梁以內(nèi)還加了縱向加強(qiáng)梁。側(cè)墻骨架主要由側(cè)墻下邊梁、側(cè)墻立柱、側(cè)墻橫梁、門框、加強(qiáng)橫梁和連接板組成。端墻骨架主要由端立柱、端橫梁、補(bǔ)板和連接板組成。車頂骨架主要由車頂邊梁、車頂橫梁，平頂縱、橫梁等組成。區(qū)別于傳統(tǒng)的碳鋼車體骨架梁件之間的搭接縫焊連接，不銹鋼車體主要采用連接接頭連接。該車參考日本輕型不銹鋼車輛的骨架連接方式，通過對車體各骨架連接部位設(shè)計(jì)的歸納分析，大多數(shù)接頭采用一種基本的連接方式—立體接頭連接。
接頭中連接板1與側(cè)墻板、車窗橫梁、側(cè)立柱之間采用雙排點(diǎn)焊連接；連接板2與窗間橫梁、腰帶梁、側(cè)立柱腹板之間采用塞焊連接；連接板3與車頂邊梁塞焊連接、與側(cè)墻上方小立柱蓋板雙排點(diǎn)焊連接。這樣既可以保證接頭的強(qiáng)度，又可以減少側(cè)墻車窗橫梁、腰帶梁和側(cè)立柱蓋板、腹板和翼板的焊接變形，保證車體外觀的平整度。不銹鋼車體結(jié)構(gòu)中底架橫梁和底架邊梁之間，車頂彎梁與車頂上邊梁之間，端墻立柱與端墻橫梁之間等都采用這種立體接頭的連接方式，只是連接板的結(jié)構(gòu)稍有不同。
在側(cè)墻、車頂和端墻骨架外面，底架骨架上面分別點(diǎn)焊有側(cè)墻板、端墻板、車頂板和波紋地板。值得注意的是，為了增加側(cè)墻板和端墻板碳鋼車中稱為蒙皮的剛度，減少局部振動，在側(cè)墻板和端墻板的縱、橫梁之間增加有加強(qiáng)橫梁如圖所示，但這些加強(qiáng)橫梁與側(cè)墻或端墻的縱橫梁并不焊接，而是直接與側(cè)墻板或端墻板點(diǎn)焊連接。
在分析了不銹鋼車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料的力學(xué)性能，采用有限元軟件ANSYS建立車體的有限元模型。由于不銹鋼車的零部件基本是薄壁構(gòu)件，所以車體結(jié)構(gòu)全部采用殼單元shell63模擬；底架設(shè)備和空調(diào)、門窗以質(zhì)量單元mass21的形式施加在各自的位置上；二系懸掛采用彈簧單元combin進(jìn)行模擬；內(nèi)裝、管線等垂直荷載以均布荷載施加在地板上。
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