中低速磁悬浮车体的结构特点及其分析

中低速磁悬浮车体的结构特点及其分析中低速磁悬浮车体的结构特点及其分析磁悬浮列车按运行速度可分为高速磁悬浮列车和中低速磁悬浮列车，它们均依靠电磁力实现列车的悬浮承载、驱动牵引及导向。

中低速磁浮因其具有转弯半径小、爬坡能力强、运行噪声低、安全（不会产生脱轨）、环保、舒适等优点，特别适合用于城市交通。

日本的中低速磁悬浮列车研究较早，技术相对成熟，并在2005年的日本爱知世博会上开通了商业运营的Linimo磁悬浮列车，该列车的车体结构采用铝型材和加强玻璃纤维构成的焊接与黏接结构。

蜂窝板做成的车厢地板承受来自车辆单元的垂直载荷并传递纵向载荷，韩国的中低速磁浮发展也较快，开发了UTm-01及UTm-02磁悬浮列车，在其上进行了大量的实验。

磁悬浮列车车体在受力形式上与传统的轮轨车辆车体有很大的差异，不能简单地将轮轨车辆车体的受力及评价对磁悬浮列车车体进行设计和分析，而应该从磁悬浮列车的受力着手，首先分析其受力特点，然后进行轻量化的车体结构设计，最后对车体结构进行分析验证，使其能够满足强度和刚度要求。

1车体结构受力特点由于中低速磁悬浮的牵引、导向及支撑全部来自磁力，根据这个特点可以得出磁悬浮车体的承载特点。

在纵向受力方面：中低速磁悬浮列车属真正意义上的全驱动，车下有10个直线电机，其总长度占列车总长度的70%左右，每个直线电机都将纵向力传递给车体；正常运行过程中，两车之间的纵向力传递很小，车钩仅起到连挂作用，只有在出现故障或救援状态下，车体结构才承受纵向的牵引或压缩载荷。

在垂向受力方面：磁悬浮列车二系悬挂支承点多达20个点，是轮轨车辆的5倍，是超静定支撑受力结构。

所有电器设备都吊挂在车体下部，车内主要是内装设备、座椅及乘客，基本与地铁车辆及动车组车辆相同。

在横向受力方面：主要需要考虑的载荷为在曲线通过时，车体承受的超高过剩或超高不足引起的横向载荷作用，在列车进行交汇时产生的横向风载荷等。

在动态载荷方面：磁悬浮列车仍然会受到轨道的不平顺的作用，这样将产生垂向的动态载荷变化。

根据磁悬浮列车车体的实际受力特点，在进行设计车体结构时可以参考有关的标准但必须适当调整其评价的指标体系。

通过对国内外大量的车体结构设计、分析和试验标准，分析比较适合参考的标准是EN12663-1:2010《Railwayapplications—Structuralrequirementsofrailwayvehiclebodies》。

其中对纵向力的计算可根据在救援状态下需要的最大牵引力得到，即按下式计算：F=mg×f，式中：m为磁悬浮列车整备质量；f为摩擦系数。

将相关数据代入式后计算得到需要的牵引力为200kN。

对于纵向压缩载荷，一般情况下是考虑列车以5km/h速度下进行救援撞钩所产生的载荷，通过大变形非线性有限元碰撞计算分析，可以得出列车的纵向载荷不大于500kN。

2车体材料上海高速磁悬浮Transrapid车体参照航空器标准设计,由铝型材和三明治蜂窝铝板通过焊接和铆接的方式构成；高速动车组车体材料主要采用大型铝合金中空挤压型材。

在轮轨车辆中常用的大型铝合金型材主要5000系列、6000系列、7000系列；但国外车体设计时多数选择6000系列的铝合金型材，其他铝合金由于强度、焊接性等原因很少采用。

中低速磁悬浮列车要求车体结构尽量轻，其材料选取方面结合了车辆的悬浮能力、加工工艺、铝合金各系型材的力学特点等，在能够满足现有使用条件的情况下，车体材料选用6005A-T6、6082-T6、5083三种材料。

为了进一步提高磁悬浮列车的承载能力，并提高磁悬浮列车的先进、可靠和安全等性能，下一步的可能会采用碳纤维/芳纶纤维复合材料。

3车体结构设计根据上述对磁悬浮列车的受力及其特有的设备安装等，在进行车体结构的设计中，必须要考虑的问题有：①实现车体的正常回转；②方便车下电器设备的安装；③车体结构的轻量化设计；④可以不设置缓冲装置；⑤方便乘客的上下车等。

目前城市轨道交通车辆中车体横断面主要有鼓形断面、梯形断面和矩形断面。

鼓形断面具有低的运行阻力、良好的动态包络线、整体承载能力强等特点，为目前广泛使用的车体断面形式，磁悬浮列车体采用鼓形断面。

铝合金车体连接形式主要包括全焊接铝合金车体和铆接铝合金车体,铆接铝合金车体的密卦性较差，且成本较高，磁悬浮列车体选用焊接连接形式，底架与侧墙间、侧墙与车顶间采用插接结构；端墙与车顶、端墙与侧墙间则采用搭接焊结构，车体设计中尽量选用纵向焊缝，尽量避免出现T形焊缝，遇到T形焊缝时，可用对接焊缝来替代。

车体结构主要包括底架、侧墙、平顶、圆顶和端墙结构，设计重量为，每米承载量仅为200kg。

根据磁悬浮列车悬浮架的支撑形式，需要在底架上具有支撑台，且在底架下具有一定的安装设备空间，故底架结构采用挤压型材与滑台横梁连接的结构形式，滑台横梁用来连接车体与悬浮架模块的结构，在底板下面添加纵向梁，主要用于吊挂设备及在车辆部分丧失牵引力后兼起牵引力传递作用。

为获得较轻的底架结构和便于铝合金加工制造，地板面选用2mm厚度，底板下面拉制c形槽用于吊挂设备。

底架结构如图1所示，由6根横梁、中梁、底架边梁及地板组成，底架横梁（见图2）是车体与悬浮架的连接接口，其上开有线性轴承安装槽，为了减重，开有多个减重孔。

侧墙为挤压型材和门柱焊接结构。

侧墙上每侧均开2门，门宽、高为1400mm×2000mm，门采用形式为向外推的塞拉门，侧门柱和侧墙板的上部与上弦梁焊接，下部与边梁焊接，车窗及门角位置容易出现应力集中现象，应适当调整圆角半径，必要时需加加强筋。

车顶包括平顶结构、圆弧顶结构和上悬梁结构。

平顶采用闭口铝合金挤压型材；圆弧顶结构采用开口挤压型材与横向板梁组焊而成，横向板梁主要用来提高开口型材的扭转刚度，上悬梁结构采用通长的闭口挤压型材，空调采用下埋式，安装在位于两板之间的纵向梁上。

端墙组件为铝合金梁板焊接结构。

为减少焊接过程中端墙变形，减少焊缝数目，立柱与板可挤压为一体，端墙还要安装风挡结构，为避免端墙的局部振动，安装风挡位置处进行了适当加强。

4车体结构计算分析车体结构基本上采用铝合金大型中空挤压型材，属薄壁结构，采用板壳单元模拟；底架设备和空调、窗、车钩等以集中质量式施加在安装位置；内装、管线以均布载荷施加在相应位置；线性轴承支撑用弹簧单元和耦合方程模拟。

车体结构的半车有限元模型如图3所示。

车体计算载荷工况根据EN12663-1:2010《Railwayapplications—Structuralrequirementsofrailwayvehiclebodies》标准以及磁悬浮列车车体在制造、运用及维修整个使用过程中可能产生受力情况，确定了12个载荷工况来验证车体结构设计的合理性，用主要的5个工况进行说明：1)工况1：超常垂直载荷，考察车体结构在超常垂直载荷下的垂向变形。

2)工况2：整备状态的车钩压缩载荷，通过车钩牵引装置施加500kN的静态压缩载荷以确定车体结构在挂钩、相碰和冲撞条件下的力学行为。

3)工况3：垂直过载，垂直过载载荷由P=定义,其中，P1是整备状态下的车体载荷，P2是超常垂直载荷的旅客质量。

4)工况4：超常垂直载荷下的车钩压缩载荷，通过车钩牵引装置施加500kN的静态压缩载荷以确定车体结构在挂钩、相碰和冲撞条件下的力学行为。

5)工况5：超常垂直载荷下的车钩牵引载荷，通过车钩牵引装置施加200kN的静态牵引载荷以确定车体结构在紧急条件下车体结构恢复的力学行为。

车体结构的计算结果通过对上节工况进行计算分析，得出各工况下车体结构最大应力及其出现位置，如表1所示，而对于材料的许用应力，在TB1335—1996《铁道车辆强度计算及试验鉴定规范》中，规定的客车车体许用应力的安全系数为，日本规范jISE7105-4989《铁道车辆强度试验方法》规定的许用应力的安全系数为，欧洲规范EN12663中确定的许用应力安全系数为；ALSToN对地铁车辆车体的安全系数为；而对于磁悬浮列车辆，其悬浮能力有限，既要考虑有一定的安全裕度，又要兼顾经济实用，因在正常运行过程中车体间纵向力传递较小，综合考虑磁悬浮列车的特性，纵向压缩工况的安全系数选取，其他工况安全系数为，从计算结果可知，车体结构的应力都在许用应力范围内，车体结构满足强度要求。

车体结构的模态频率是评价车体刚度的一个重要指标，涉及列车的运行安全性和乘坐舒适性。

在列车运行过程中，若悬浮架的刚体振动通过空气弹簧传递到车体，并与车体结构的固有频率接近时，将产生共振现象，这样不仅影响乘客乘坐的舒适性，而且将影响车体结构的安全性，且振动的加剧将使轨道产生较大变形。

因悬浮模块与轨道的间隙约为8mm，对轨道刚度要求较高，若发生共振，列车将不能正常行驶。

计算表明，车体结构的一阶垂弯与一阶扭转频率分别为和，该振动频率能够有效避开悬浮架的各阶刚体振动频率。

5结语中低速磁悬浮列车属新型的交通工具，车体结构有其自身承载特点：全动力驱动，多支承点，车钩间纵向力小等；依据其承载特点，确定了车体材料、底架的结构形式等，并对所设计的车体进行了有限元建模，依据计算工况及材料特性，完成了强度及模态分析。

计算结果表明：设计出的车体结构既满足了磁悬浮列车轻量化车体的重要指标，又能够满足磁悬浮列车全寿命周期内各种受载条件下的强度和刚度要求。

.FinalReport,2002.//ProceedingsoftheIEEE/,16:130-143..magnetics,1979,15:1428-1433.张学山，谢素明，兆文忠.常温常导中低速磁悬浮列车车体数值仿真及验证.大连铁道学院学报，2006,27:,XieSuming,/low-speedemsmaglevtrainsetcarbo dy.journalofDalianRailwayInstitute,2006,27:14-17.陈贵荣，龙志强.日本低速磁悬浮列车发展.国外铁道车辆,2008,45:,.ForeignRollingStock,2008,45:1-3.张志洲，张惠霞.韩国磁悬浮列车发展.国外铁道车辆,2006,43:，.ForeignRollingStock,2006,43:8-12.EN12663-1:2010Railwayapplications—Structuralrequirementsofrailwayvehiclebodies.海邦君.铝合金车体设计研究.铁道车辆,2003,41：.RollingStock,2003,41:26-28..牛得田.铝合金车体在轨道车辆上的应用及展望.机车车辆工艺,2003:.Locomotive&RollingStockTechnology,2003:1-2.周建乐，王军.地铁车辆铝合金车体的设计.城市轨道交通研究,2000:,.UrbanmassTransit,2000:53-56.常树民，马纪军.铝合金车体结构设计构思.铁道车辆,2004,42:,.RollingStock,2004,42:9-13.。