常温常导中低速磁悬浮列车车体数值仿真及验证

针对磁悬浮列车的中空挤压铝型材、蜂窝夹层板结构和承载特殊性,研究了常温常导中低速磁悬浮列车车体有限元建模对策,并从包括强度、刚度、侧风压力、振动模态及耐撞性等多学科领域进行数值仿真与评估.工程样车车体强度实测结果证明了上述工作是可靠和有效的.

磁浮列车是利用电磁力将列车悬浮和左右制约于轨道上,由直线电动机直接驱动而前进,取消了传统地面车辆的轮、传动机构,消除了机械接触、摩擦及损耗,是一种新型的地面大容量交通工具.磁悬浮列车目前在世界上比较热门,尽管其核心技术仅为少数国家掌握,但它仍是具有良好发展前景的轨道交通模式.

磁悬浮列车从速度等级上可分为高速(400~500km/h,适用于城际轨道交通运输)和中低速(≤100km/h,适用于城市内的轨道交通运输).从悬浮原理可分为电磁悬浮型(EMS)和电动悬浮型(EDS).目前,国际上投入商业运营的只有德国的TR常导高速磁浮列车和日本的HSST中低速磁悬浮列车.

本文提及的常温常导中低速磁悬浮列车是国内首辆工程化样车,属EMS型.由于磁悬浮列车是通过电磁力使车体悬浮起来后向前运行的,而车辆的悬浮力对给定的车辆来说是一定的,车体越轻,车辆的有效载重就越大;另一方面,轻量化的车体和良好的空气动力学外形可以减少列车所需的悬浮力和运行阻力,有效的降低牵引力,提高列车起动加速度和制动减速度,减小制动力和缩短制动距离,对节约能源也有一定的效果.因此,在研制常温常导中低速磁悬浮列车车体时,材料选择原则是:即要有足够的强度、刚度,同时又要尽最大可能地轻,因此采用了“中空挤压铝型材/蜂窝夹层板”混合结构.

本文介绍了磁悬浮列车复合结构车体底架、侧墙、车顶等的结构特点,针对磁悬浮列车车体结构和承载的特殊性,给出了常温常导中低速磁悬浮列车车体有限元建模方法,对该车车体进行多学科领域的数值仿真与评估.

1 磁悬浮列车复合结构车体总体设计

由于磁悬浮列车为16点支撑,对刚度的要求相对较小,所以为了减轻重量,车体底架采用由大型中空铝型材制作的纵向梁,以及横梁组成的焊接框架结构,和铝蜂窝板制作的地板相铆接的复合结构.纵向梁各由两个铝合金中空型材(材质为6005A-T6)构成的边梁和中梁组成,在边梁和中梁下边设计有T型槽,供车下设备吊挂使用,底架的二位端设计有槽形端梁,供车端连接装置和电气连接器安装使用.

侧墙断为鼓形,全部采用相切圆弧过渡.为了提高侧墙与底架的连接强度,使侧墙结构更为简捷,门柱和窗柱分别采用中空型材,在侧墙窗口上下各设一道通长的由中空型材制成的纵向梁,以实现侧墙的模块化组装.侧墙板采用整块大型中空挤压铝型材.

车顶采用铝蜂窝板和大型中空铝合金型材连接而成,在车顶中部设空调机组安装平顶,平顶两侧有斜度以利于排水,空调冷凝水通过隐形排水槽车端排水口自车端排水管排至车下.

司机室外形采用流线型设计,并兼顾美观,外壳全部采用铝合金骨架蒙皮焊接结构,前端中间是逃生门,两侧设侧窗,后端与车体断面吻合,与侧墙采用螺栓连接,与车顶采用结构胶粘接.

车体组装完成后,在各部件的铆接接缝和段焊焊缝上用密封胶封堵以保证车体整体密封性.

2 磁浮车车体的有限元模型

常导磁悬浮车体结构采用鼓形断面、薄壁筒形整体承载的全铝铆、焊联接结合的结构,车体主体以铝型材和铝蜂窝夹层结构组成.铝蜂窝板两侧面板为高强度铝板,内层为特制的六边形铝蜂窝(如图1~3所示),作为粘附在夹层结构中的芯板,在切向上承受压力.这些相互牵制的密集蜂窝犹如许多小工字梁,可分散承担来自面板方向的压力,使板受力均匀,保证了面板在较大面积时仍能保持很高的平整度.蜂窝板建模常用的方法[1]:面板-夹芯组合夹层单元法、相当板元法和二力杆单元法.第一种方法要求单元库中应有这类单元;第二种方法要求刚度等效;第三种方法比较适合曲面结构.分析以上方法利弊,在中低速磁悬浮车中空挤压铝型材/蜂窝板混合结构车体有限元模型中,本文提出将原尺寸很小的蜂窝凝聚成尺寸较大的蜂窝,即“大蜂窝”模拟铝蜂窝板,采用主-从关系来模拟该车的非焊接结构连接中各种连接的传力,整车有限元模型的单元总数:328123;节点总数:226681,如图4所示.

3 侧风35m/s时横向力CFD仿真计算

中低速磁悬浮头车铝型材/蜂窝板车体还承受侧风.侧风风速为35m/s时,采用FLUENT软件对磁悬浮列车的外流场进行了仿真计算.计算区域为长方体,计算网格采用非结构网格.列车表面的网格为三角形单元,整个区域的体网格为四面体,网格数为88万.经计算列车侧面承受的横向合力是58.266kN,列车迎风侧的压力分布云图如图5所示.该横向力可作为磁浮车车体强度计算的载荷.

4 静强度和刚度仿真计算

由于该车底架多点支撑,因此该车表现出相当大的弯曲刚度,垂向静载荷作用下,底架边梁中部最大挠度及底架中梁中部最大挠度均很小.

表1给出了车体主要工况作用下主要部位的应力值[2].计算中考虑的动荷系数为1.1,该车结构应力水平也普遍较低,所有部位应力值都不大于材料的许用应力225MPa,满足《磁悬浮列车车体强度设计规范》的要求.表2中,工况1为垂直总载荷工况、工况2为纵向拉伸 垂直总载荷、工况3为纵向压缩 垂直总载荷.

5 模态分析计算

车体结构的模态是各阶固有频率和相应振型的总称,属结构的固有特性,与结构在动态条件下的运用品质有着密切的联系.结构的模态主要取决于结构的质量与分布和车体结构刚度及其所受约束情况.正确地施加约束是进行动力学分析的先决条件,不适当地施加约束将导致局部过刚,并影响收敛速度及计算结果.

磁浮车模态分析可以给出车体各阶振频,这对将来研究车轨振动耦合至关重要.在模态计算中,分别进行了约束模态和自由模态分析.约束模态分析中,不施加任何约束,仅在模型计算选项中去掉前六阶频率为零的6个刚体振动模态.车体约束模态和自由模态分析的部分计算结果[2]列入表2.

6 耐撞性仿真计算

车体耐撞性分析涉及一个含有未知边界条件的偏微分方程的求解,即典型的动态接触问题.本文采用国内外接触碰撞分析中使用非常广泛的有限元程序DYN3D,建立四节点实体单元、四节点壳单元、接触单元等组成碰撞状态下的车体有限元仿真模型;利用罚函数法确立碰撞过程中的接触边界面;用显示格式中心差分方法求解运动方程.图6和图7给出了磁浮车车体耐撞性仿真计算[5]的总能量和碰撞力随时间的变化曲线.

7 试验验证

基于上述研究,原设计方案数次修改.工程样车研制后,进行了静强度测试和刚度测试,结果表明:最大垂向载荷作用下,车体边梁下挠及中梁下挠与计算结果车体边梁下挠及中梁下挠非常接近.同样,在某工况下该车FEA仿真计算结果与试验测试结果[3]相当吻合(参见图8),这表明仿真计算模型中所采用的“大蜂窝”法是科学实用的.

8 结 语

中低速磁悬浮车是一典型的复杂新产品,结构极为特殊,目前,国内缺少相应设计技术规范及评价标准,同时,国内亦无可借鉴的设计及计算模型作为参考,因此为设计和计算带来了许多不确定因素.铝蜂窝复合车体结构在国内尚属首次,因此在本次计算中基于偏于安全原则而采用了大蜂窝结构替代小蜂窝结构,根据经验估计计算偏差不会很大,基于这一计算模型进行多方案比较是可行的.

复合结构车体是一个系统工程,涉及材料力学、空气动力学、结构力学、车辆碰撞、焊接及铆接工艺等众多个学科领域.本文正是基于这一多学科特点进行了初步研究,这些研究工作不仅对该车有指导作,对中高速磁悬浮车亦有参考价值.