刍议不锈钢车体结构设计以及仿真分析

摘 要：不锈钢材料具有耐腐蚀性高、使用周期长、结构轻量化、强度高而且适合运用于点焊工艺等特点，为制造轨道交通车辆车体的理想材料之一。本文将对不锈钢车体结构设计及其仿真分析做出简要的介绍。

关键词：不锈钢车体；点焊；连接接头；仿真分析

不锈钢车体具有耐腐蚀、耐高温、结构轻量化、机械性能高、疲劳强度高、使用寿命长以及综合成本低等优点，在各大行业都占有一定的竞争优势，不锈钢车体的生产技术的成长已趋于成熟阶段。而且不锈钢有良好的抗升温能力和抗冲击性能，可大大提高车体的安全性，随着科学技术的发展，不锈钢车体已经大量的应用于轨道车辆的制造，对其的研究价值在不断地上升。

1 高速不锈钢车体结构的设计

不锈钢车体结构的设计经历了以下几个阶段：半不锈钢车体、全不锈钢车体和轻型不锈钢车体。半不锈钢车体的结构设计存在着许多不足，它的内部构件腐蚀后需对其进行修补，而且只是外侧板才使用不锈钢；全不锈钢车体的结构构件和外板都采用了不锈钢材质，该种车辆和低合金高强度的车辆相比，质量降低了20%，基本上不需补修；在进一步轻量化的要求下，开发出了轻型不锈钢车体，该车车体结构与全不锈钢具有同等的强度和刚度，而且车体结构质量是一般碳钢车的63%[1]。车体的骨架结构设计、外板结构设计是不锈钢车体设计中两个较关键的问题，所以下面主要介绍这两点。

1.1 骨架结构

不锈钢车体结构的关键要素之一是车体骨架的设计。通过对车体骨架连接部位的设计进行分析，可发现大部分接头采用立体相接的方法，极大的提高了接头部位传递载荷承受的能力，如底架边梁与侧墙立柱的连接部位，侧墙立柱与侧墙横梁的连接部位，车顶弯梁与车顶横梁的连接部位等。

不锈钢车体结构采用的是钢制骨架，开口截面的型材很难完全地传递载荷，而且加载之后容易发生扭曲，因此在设计时要尽量减少单独对开口截面型材的使用。而箱型截面的型材，可以较为充分的传递载荷，同时具有良好的稳定性，所以应根据不同的部位采用型箱截面的型材。

1.2 车体外板

考虑到不锈钢的热应变较大，为了减小其应变，以往常常将侧墙外板做成波纹结构。波纹结构板在横向和纵向虽然具有刚性，但在剪切方向则较弱，所以在需要传递剪切力的地方，必须另外添加剪切板，做起来相当的麻烦[2]。因此过去的不锈钢车体的零件数多、工艺也比较复杂。目前新型不锈钢车体所使用的由配置冲压成的双薄板已经取代了传统的侧墙波纹板。采用断面形状为“凹”，厚为0.8mm的标准化零件冲压成形内板，可用来抵抗剪力翘曲板。为了使外观看起来更加美观，使冲压内板长期保持刚性效果，同时使外板厚度降低20%左右，在进行不锈钢车体的设计时，可降低蒙皮的应用，免除内板不强筋的突出问题，同时采用外板和点焊的结合装配。在进行不锈钢车体的设计过程中，根据材料规格宽度的局限性，侧墙板分为：上墙板、下墙板和中墙板三部分制造。为了防止出现翘曲不平的状况，侧门之间应用整张钢板来制造，车窗周围的中墙板要用平整度较好的材质。车顶板应使用厚度为0.8mm的波纹，目的是为了增大其刚度。

1.3 车体结构用不锈钢

为了提高车体的安全性、可靠性、耐磨性，并且可以增长其使用寿命，应该保证用作车体结构部件的不锈钢具有高强度和稳定性，必须要求车体结构设计使用的不锈钢具有耐磨性、高强度、良好的弯曲、冲压和切割效果，其中高强度特别重要，因此在进行设计的时候，基本上都是采用奥氏体不锈钢作为轨道车辆的基本材料。不锈钢车体常用材料牌号为SUS301和SUS304奥氏体不锈钢作为材料。

2 不锈钢车体仿真分析要点

在进行仿真分析过程中，计算模型的准确性、精度是有限元仿真结果可靠性的关键因素。而设计结果的成功与否和所做的仿真分析类型也紧密联系，所以在对不锈钢车体进行仿真分析和有限元建模时，要特别重视以下几个方面。

对不锈钢车体做仿真分析需特别注意结构稳定性的重要性。这种分析属于线性分析的范畴，结构实际的失稳力远远低于结构临界失稳力的事先预测，所以特征值屈曲分析很少应用于工程结构分析。但是在某些方面，特征值屈曲分析的应用还是比较广泛的，比如它可以用于非线性屈曲分析的初步评估，其中屈曲载荷系数很重要，因为通过外加载荷和该系数相乘便是屈曲载荷，根据其数值，可判断出车体是否达到安全系数。

不锈钢车体在运用过程中可能会因为操作方法不对，导致出现较大的裂纹，从而很难做到不损害不锈钢材料性能的前提下对其进行补修，因此在设计车体时应充分把疲劳性能考虑进去，以致于满足设计寿命，在作出疲劳分析时，应仔细检查重点受力部位和枕梁附近的焊点情况。

在进行不锈钢车体仿真分析时，还可能出现另外一个问题“焊点的模拟。”目前焊点模拟的方法有很多种，其中最主要的几种为：实体模型、伞状模型、面接触模型、实体板壳模型以及C-WELD单元模型等等。有关开发和研究表明，C-WELDF单元是和实际实验数据最稳和的一种焊点单元模式，它的精度较高，而且比实际焊点偏“软”，因此在实际操作过程中常用该种模式。

轨道交通车辆车体模型是一种大型的模型，在计算分析过程中对结构做出恰当的简化是有必要的，但是简化必须科学合理，符合客观依据，在建模过程中还应当注意，尽量保持模型的原样性，不要有太大的差距，特别强调对骨架结构过渡圆角的保留。对于紧固件的模拟应当采用ACM2类型的紧固件连接方式。

3 结语

不锈钢车体结构不仅寿命周期长、而且综合成本低，具有良好的耐磨性、抗升温能力和冲击性能等优点，可以充分保证车体的质量、安全问题，随着科学技术的不断进步，不锈钢车体的质量水平也在不断提高，在以后的发展道路中，应大力支持开发研制不锈钢车体，实现我国轨道车辆长期稳步发展。

参考文献：

[1]马秋红，杨志勇，徐雷等.轻量化不锈钢车体制造工艺[J].机械制造，2014，52（09）.

[2]刘军，周传谊.天津地铁2号线车辆车体钢结构设计[J].城市轨道交通研究，2014，17（01）.

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