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國(guó)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(jī)室拖車，B、C、D均為動(dòng)車。車輛為受電弓受流，采用電動(dòng)塞拉門，雙重地板結(jié)構(gòu)。
為滿足車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)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(qiáng)度等指標(biāo)的前提下，對(duì)車體各部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文論述了對(duì)該項(xiàng)目車體結(jié)構(gòu)各部件所作的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用有限元分析驗(yàn)證了車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞性能及耐碰撞性能，為后續(xù)項(xiàng)目的類似車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)，由底架、頂蓋、側(cè)墻、端墻、司機(jī)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(zhǎng)度/mm23380B/C/D車車體長(zhǎng)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(jì)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(gè)車體的強(qiáng)度和剛度。整個(gè)底架由長(zhǎng)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(shí)的防爬車要求。該項(xiàng)目采用邊梁懸掛的設(shè)備布置方法，在進(jìn)行底架邊梁設(shè)計(jì)時(shí)，伸出70mm的筋板用以安裝懸掛梁，同時(shí)對(duì)邊梁型材進(jìn)行優(yōu)化以滿足設(shè)備沖擊強(qiáng)度的要求。針對(duì)以往項(xiàng)目曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)司機(jī)室下門角在靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力較大的情況，對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖3所示，通過(guò)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(diǎn)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(zhǎng)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(tái)。在本項(xiàng)目中，采用端送端回模式的空調(diào)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，回風(fēng)通過(guò)座椅下方及拐角頂板縫隙，從機(jī)組端部回到空調(diào)機(jī)組，回風(fēng)口與車內(nèi)不直接連通。與以往項(xiàng)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(jī)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(tái)結(jié)構(gòu)，圖為該項(xiàng)目采用的端送端回送回風(fēng)空調(diào)平臺(tái)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(xiàng)目車體對(duì)側(cè)墻門立柱與頂蓋邊梁的連接部位作了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消了頂蓋邊梁型材的三角腔體，門立柱相應(yīng)延長(zhǎng)至頂蓋邊梁主筋板處進(jìn)行焊接，如圖所示。采用這種連接方式，在保證該位置強(qiáng)度的前提下縮短了頂蓋邊梁的機(jī)加工作業(yè)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
司機(jī)室采用準(zhǔn)流線形設(shè)計(jì)，前端設(shè)置有乘客緊急疏散門，側(cè)門采用電動(dòng)塞拉門。考慮到以往項(xiàng)目在車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)過(guò)司機(jī)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(duì)該連接位置端板的厚度進(jìn)行了優(yōu)化，由原來(lái)的5mm改為20mm，有效降低了該區(qū)域的應(yīng)力水平。對(duì)司機(jī)室門立柱和上縱梁的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)象，車體靜強(qiáng)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(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)要求的24個(gè)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(gè)危險(xiǎn)工況中，車體最大的應(yīng)力均未超過(guò)其許用應(yīng)力，車體的靜強(qiáng)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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