地铁车体改造结构强度及模态分析

都市快轨交通・第２４卷第１期２０１１年２月　《机电工程　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—６０７３．２０１１．０１．０２５　地铁车体改造结构强度及模态分析　　占　彦　李　强　王　刚２（１．北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京　１０００４４；２．国家知识产权专利审查中心１００１９０）　摘要　以北京复八线地铁加装空调后的车体结构为　１理论基础　１．１　应力分析　有限元法是以变分原理为基础，将研究对象离散　成有限多个单元体，通过分析一组代数方法，进而求得　近似值。有限元静力分析的控制方程为　ＫＵ＝Ｆ　（１）　研究对象，利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对车体结构进　行有限元分析，对其进行静强度计算和模态分析。结　果表明，加装空调后的车体结构能够满足强度和刚度　的相关标；住、　关键词疲劳地铁模态　北京复八线　车体　有限元Ｕ２７０．１　文章标志码Ａ　静强度　式中，　是刚度矩阵，　是位移向量，Ｆ是载荷向量。　中图分类号文章编号引入位移和载荷边界条件，对式（１）形成的大方程　组求解，即可求出结构节点位移，进而通过弹性几何方　程和物理方程可求出结构的应变和应力。　１６７２—６０７３（２０ｌ１）０１—０１０１—０３　随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，　各大城市已将大力发展轨道交通作为促进城市可持续　发展的重要手段。在城市轨道交通事业迎来高速发展　时期的同时，旅客对乘坐的舒适性和安全性也有更高　１．２模态分析　用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，　固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参　的要求，因此新造地铁车辆均安装了空调设备。北京　复八线地铁服役较早，设施简陋，未安装空调。为了提　高乘客乘坐的舒适性，同时节约运营成本，北京交通大　学与北京地铁运营有限公司合作，对原车体进行结构　改造，以便加装空调设备。改造方案由双方共同协商　数。模态分析的核心内容是确定结构振动的特征值问　题。对于一个Ｎ自由度线性系统，其运动微分方程为　ＭＸ＋ＣＸ＋ＫＸ＝Ｆ　（２）　式中，矩阵Ｋ、Ｍ和Ｃ分别为刚度矩阵、质量矩阵和阻　尼矩阵，Ｆ为作用力向量，　、　和　分别为位移向量、　速度向量和加速度向量。　由于模态是系统结构的固有特性，与外部的载荷　条件无关，即Ｆ＝０，并忽略阻尼Ｃ的影响，得到无阻尼　而定，北京交通大学对改造后的车体结构进行强度校　核，随后北京地铁负责实施地铁的改造工作。　结构改造主要针对车顶进行。每节车预备安装　４个空调，结构改造需在原拱形车顶上开４个窗，将　系统的自由振动方程为　ＭＸ＋　Ｘ＝０　（３）　新造的空调平台焊接到车顶开窗四周，并在连接处设　置补强板。空调安装在空调平台上，使整车质量增加　了约１．６　ｔ，这将对车体的动力学性能及结构强度产　在自由振动时，结构上各点作简谐振动，假设简谐　振动的方程为　Ｘ＝西ｅＪ　（４）　生影响。笔者以改造后的车体为研究对象，采用有限　元分析方法，对车体结构进行静强度、疲劳强度及模态　分析。　收稿日期：２０１０－０４—１２　修回日期：２０１０—０５—１８　由式（３）、式（４）可得　（Ｋ一　Ｍ）西＝０　（５）　自由振动时结构各节点的振幅不全为零，所以由　式（５）得　ＩＫ—ＯＪ　ＭＩ＝０　（６）　作者简介：占彦，女，硕士研究生，从事车辆结构强度研究，０８１２１８４８＠　ｂｊｔｕ．ｅｄｕ　Ｃｎ　李强，男，教授，博士生导师　式（６）称为结构振动的特征值方程，根据线性代数　ＵＲＢＡＮ　ＲＡＰＩＤ　ＲＡＩＬ　ＴＲＡＮＳ／Ｔ　１０１　都市快轨交通・第２４卷第１期２０１１年２月　可知，求解该问题可以求出ｎ个特征值　｝，　｝，…，　和相对应的ｎ个特征向量。其中，　】，（ｂ２，…，咖　特征　值的平方根∞　正是结构的固有频率，特征向量　则　是结构对应于甜　的振型向量。　２车体有限元模型的建立　２．１　模型建立及单元划分　车体采用整体承载式无中梁全钢焊接结构，由底　架、侧墙、车顶、端墙、波纹地板等组成。结构改造主要针　对车顶进行，在车顶开窗，加装设计了４个安装空调的平　台，结构如图１所示。利用ＡＮＳＹＳ软件，采用板壳单元　和实体单元，对整车结构进行离散，如图２所示。其中，　空调质心与安装座之间采用梁单元进行连接。离散后，　共生成１９７　７１８个单元，２０３　０４６个节点。其中，Ｓｈｅｌｌ６３　共１９７　７１８个，Ｓｏｌｉｄ４５共５　１４１个，Ｂｅａｍ１８８共５１２个。　图ｌ　车顶空调平台结构　图２有限元离散模型　２．２　约束设置　根据车体受力情况，在模型中施加相应的垂向、横　向及纵向位移约束，其中垂向约束均在４个二系悬挂　支撑位置施加。　３载荷及工况计算　已知车体质量为２１．４　ｔ，乘客质量取６０　ｋｇ／人，最大　乘客数取３１２人。其中，座椅吊挂在车体侧墙，每节车数　量４２个，取座椅重量２０　，空调共４个，每个４００　ｋｇ。　动荷系数取１．３，车端压缩载荷取５００　ｋＮ。空调设　备三向振动加速度为：纵向３　ｇ，横向１　ｇ，垂向（１＋Ｃ）ｇ　（其中，在车体端部ｃ取２．０，车体中央Ｃ取０．５，两者之　间的位置为线性变化）。依据ＥＮ　１２６６３、ＴＢ／Ｔ　１３３５～　１９９６，确定各计算载荷和计算工况，如表１所示。　４计算结果与分析　４．１　静强度计算结果及分析　按上述工况对构架进行加载计算，表２和表３分　￣Ｊｙ，Ｊ出了各工况下母材区和焊缝区应力较大单元的　ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力及其位置。　１０２　ＵＲＢＡＮ　ＲＡＰＩＤ　ＲＡＩＬ　ＴＲＡＮＳＩＴ　表１载荷工况　工况　工况名称　栽荷值　垂向静栽荷空　萎鬈　地板　２　垂向总载荷空　萎羹薹　’地　・　＇　垂向静载荷＋　侧墙座椅吊挂３２．９　ｋＮ，地板５９．１　ｋＮ，　车端压缩　空调安装座１５．７　ｋＮ，车钩作用面５００　ｋＮ　．　垂向总裁荷＋　侧墙座椅吊挂４２．８　ｋＮ，地板４６６．８　ｋＮ；　。　空调三向振动　空调垂向３　ｇ／２ｇ、横向１　ｇ、纵向３　ｇ　５　三点支撑　２０９．７　ｋＮ　表２　５种工况下母材区最大等效应力　工况　车体最大等效应力／ＭＰａ　作用位置一　１　１４３．４　车端门口边缘　２　１８６．４　车端门口边缘　３　２２４．４　底架牵ｉｌ梁边缘　４　２０４．７　车端门口边缘　５　１２８．２　底架横粱与边粱连接处　表３　５种工况下焊缝区最大等效应力　工况焊接区的最大应力／ＭＰａ　作用位置　１　９８．０　车门立柱与地板连接部　２　１２７．５　车门立柱与地板连接部　３　１３１．１　枕梁下盖板与底架边梁连接部位　４　１３４．５　车门立柱与地板连接部　５　７８．０　ｆ１角补强板处　该车体结构用材为耐候钢，其屈服强度为２９４　ＭＰａ。　依据ＥＮ　１２６６３，确定耐候钢各载荷工况下的许用应力　值为２５５　ＭＰａ（取安全系数１．１５）。参照ＵＩＣ５１５‘４／　ＵＩＣ６１５—４，焊缝区许用应力值在母材区许用应力值的　基础上再除以１．１，得到耐候钢焊缝区的许用应力值为　２３１　ＭＰａ。　由计算结果可知，车体各部位的应力值均低于耐　候钢材料／焊缝的许用应力值２５５　ＭＰａ（母材）／２３１　ＭＰａ　（焊缝）。因此，该车体结构静强度满足要求。　４．２　疲劳强度计算结果及分析　由于车体结构的疲劳破坏一般发生在焊接接头　处，因此焊接接头的疲劳评估应该是车体结构疲劳评　估的主要关注点。空调振动产生的加速度是改造车顶　的主要动载荷来源。依据ＥＮ　１２６６３，取空调垂向振动　加速度为（１±０．１５）ｇ，纵向振动加速度为±０．１５　ｇ。　国际焊接协会（Ｉ１ｗ）《焊接接头及构件的疲劳设计》　地铁车体改造结构强度及模态分析　标准，以１４条Ｓ—Ｎ曲线表征了近百种钢结构焊接接头　的疲劳强度，指出了在２×１０。次应力循环下特定的疲劳　强度，并定为疲劳级别ＦＡＴ，绘制出耐候钢焊接接头对应　不同疲劳级别（ＦＡＴ）的Ｇｏｏｄｍａｎ疲劳极限图。　由计算结果可知，表４列出了改造车体疲劳强度　相对薄弱部位的平均应力　及动应力幅值　，将其　分别点入焊接接头的Ｇｏｏｄｍａｎ图中，如图３所示，所有　点均未超出疲劳极限图上包络线的容许值，改造车体　的疲劳强度满足要求。　表４疲劳强度采样点应力计算结果　ＭＰａ　评估点号　位置　动应力　平均应力　１　载梁端部与车预连接部　！　耋　■侧承　５０．９　６．０　２　平台区Ｌ型　专　角　强板处空调安装　９８　２…　７．５　３　连接处　。孽　连接立柱与平台横梁　２０　５．４　‘Ｊｕ　动应ｊ３／ＭＰａ　■＿＿　＼　．、Ｉ＼＼＼　、。　Ｉ＼＼＼　…　妻　Ｉ　‘　．　▲◆　．　．　＼．　４００　一ｊＵＵ　２００一ｌＯ０　０　ｌＵＵ　２０Ｕ　３００　４００　平均应力／ＭＰａ　图３　Ｇｏｏｄｍａｎ疲劳极限图及疲劳评估　４．３模态分析与评定　根据国际铁路联盟ＵＩＣ　Ｍｅｒｋｂｌａｔｔ５６６（１９９２）规定，　全装备车体的一阶垂向弯曲自振频率不低于１０　Ｈｚ。　全装备车体的质量比车体钢结构增加很多，所以全装　备车体的一阶垂直弯曲振动的固有频率要比车体钢结　构低。统计结果表明，车体钢结构的一阶垂直弯曲振　动频率比全装备车体约高３０％，也就是说，车体钢结构　的一阶垂直弯曲频率应该高于１４　Ｈｚ。　该车体钢结构以及加装空调后的固有模态计算结　果见图４～图７以及表５。结果表明，车体钢结构在安装　空调后的一阶垂向弯曲自振频率虽然由原来的１９．９　Ｈｚ　减小到１６．９　Ｈｚ，但仍然满足要求。　５结论　通过以上对改造后地铁车体的有限元计算分析，　得到了以下结论：　图４车体扭转　图５车体扭转（加装空调）　图６车体一阶垂向弯曲　图７车体一阶垂向　弯曲（加装空调）　表５车体固有模态计算结果　结构　阶数　典型振型　频率／Ｈｚ　车体钢结构　ｌ　车体扭转　１４．０　２　车体一阶垂向弯曲　１９．９　车体钢结构４－　１　车体扭转　１３．２　４个空调　２　车体一阶垂向弯曲　１６．９　１）在各种工况下，车体上的母材区及焊缝区的最　大应力值均小于耐候钢母材／焊缝的许用应力值，因此　该车体结构的静强度满足要求。　２）采用Ｇｏｏｄｍａｎ疲劳极限图对改造车顶进行疲　劳评估，疲劳薄弱区的应力未超出疲劳极限图中的允　许界限，表明满足疲劳强度要求。　３）由车体有限元模态分析得出，加装空调后的车　体钢结构一阶垂向弯曲的频率为１６．９　Ｈｚ，满足“车体　钢结构一阶垂向弯曲频率高于１４　Ｈｚ”的要求。　参考文献　ｆ　１１　ＴＢ／Ｔ　１３３５一ｌ９９６铁道车辆强度设计及试验坚定规范　【Ｓ］．北京，中华人民共和国铁道部，１９９６．　［２］周伟．地铁不锈钢车体静强度计算及模态分析［Ｊ］．都市　快轨交通，２００７，２０（５）：４７—４９．　［３］赵俊杰，鲁寨军，徐程．新型１０８ｔ通用敞车车体结构强度　分析［Ｊ］．机车车辆工艺，２００６（１）：６’８．　［４］王超，许平，黄明高．基于ＡＮＳ￣Ｓ的电气柜体强度与模态　分析［Ｊ］．机电工程，２００７，７（２４）：２６’２８．　［５］Ｈｏｂｂａｃｈｅｌ‘Ａ．ＸＩＩＩ一１　５３９－－９６／ＸＶ一８４５　９６　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄｅｓｉｇｎ　（）ｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｊｏｉｎｔｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ［Ｓ］．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：Ａｂｉｎｇｔｏｌ１　Ｐｕｂｌｉｓ］ｉｒｎｇ，】９９６．　（编辑：郭洁）　都市快轨交通・第２４卷第１期２０１１年２月　《机电工程．．Ｉ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—６０７３．２０１１．Ｏ１．０２６　ＡＦ　Ｃ业务内置型读写器　研究与应用　何铁军　宋亚娜　王　健　毛　建２　张　宁　（１．东南大学教育部ＩＴＳ工程研究中心２．南京地下铁道有限责任公司南京２１００１８；　南京２１００２４）　摘要　为了提高轨道交通ＡＦＣ系统的兼容性、安全　科学管理提供可靠的数据¨Ｊ。读写器是ＡＦＣ系统的　重要部件之一，用于实现对票卡的读写，在轨道交通　ＡＦＣ系统的闸机、自动售票机、半自动售票机、自助充　性和可扩展性，降低系统升级维护成本，提出业务内置　型读写器。详细分析其特点和开发风险，并设计业务　内置型读写器的软硬件结构，最后阐述业务内置型读　值机、自助查询机中大量使用。在传统读写器模式　中，票卡处理流程软件与读写器分离，部署于上位计　算机中，由上位计算机控制读写器对Ｉｃ卡进行操　作。这种模式开发流程简单，较为常见，读写器易　写器在南京地铁的应用：应用效果表明，业务内置型　读写器有利于ＡＦＣ系统的互联互通，创造了可观的经　济效益和社会效益，可推广使用。　关键词内置轨道交通　自动售检票系统南京地铁　读写器　业务　于采购。　随着轨道交通网络化建设的发展，传统读写器　文章标志码Ａ　中图分类号文章编号Ｕ２３９．５　模式的缺陷日趋暴露，不能满足网络化运营的　要求［　。　１）由于轨道交通ＡＦＣ系统的票务处理是一个十　１６７２—６０７３（２０１１）０１—０１０４一Ｏ５　１　传统读写器模式及其缺陷　轨道交通自动售检票（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｆａｒｅ　Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，　分复杂的过程，在运营过程中经常会发生变动（如票卡　介质的更新、票卡结构的变动、票卡业务规则的变动、　ＡＦＣ）系统是轨道交通运营管理的核心系统，它不但为　票卡使用范围的变动），需要对票卡处理程序进行升级　更新ｌｊ１ｊ。票卡处理程序升级时，需要升级各种ＡＦＣ设　备计算机上的票卡处理软件，而线路ＡＦＣ设备往往分　属于不同的承包商不同时期的产品，承包商需要分别　进行软件的修改和测试、以及线网间一致性测试，改造　工程量较大。　乘客提供自动售检票服务，也为轨道交通运营公司的　收稿日期：２０１０。０７‘１３　修回日期：２０１０－０８—０２　作者简介：何铁军，男，博士，副教授，从事交通信息工程与控制研　究，ｙｙｎｎｓｏｎｇ＠１２６．ｃｏｍ　基金项目：江苏省科技攻关（工业部分）项目（ＢＥ２００６０１０）　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　Ｍｏｄａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃａｒ　Ｂｏｄｙ　ａｆｔｅｒ　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｚｈａｎ　Ｙａｎ　Ｌｉ　Ｑｉａｎｇ　Ｗａｎｇ　Ｇａｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４；　２．Ｐａｔｅｎｔ　Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ　Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ＳＩＰＯ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　００　１　９０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｓｕｂｗａｙ　ｃａｒ　ｂｏｄｙ　ｂｙ　ａｄｄｉｎｇ　ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｓｔｕｄｙ．ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮＳＹＳ　ｔｏ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｏｄａｌ　ａＩ１ａ１ｙｓｉｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｓｔｒｕｃＲｕ＇ｅ　ｃａｎ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｒｉｇｉｄｉｔｙ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｗａｙ；Ｂｅｉｊｎｉｇ　ｓｕｂｗａｙ　Ｌｉｎｅ　１；ｃａｒ　ｂｏｄｙ；ＦＥＭ；ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆａｔｉｇｕｅ；ｍｏｄｅ