標準動車組車體強度設計技術研究

王超

(長春軌道客車股份有限公司技術中心，吉林 長春130062)

0 前言

2004年開始，我國動車組制造企業(yè)按照國務院確定的“引進先進技術、聯(lián)合設計制造、打造自主品牌”的總體指導方針，分別與國外知名企業(yè)合作引進了電動車組的設計制造技術，通過消化吸收，設計制造了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380 等“和諧號”系列電動車組。但鋁合金車體結構在原引進動車組基礎上未做大的變動，隨著用戶使用需求的提高和中國鐵路走出去的需要，研制具有自主知識產權的鋁合金車體結構具有重大意義，中國標準動車組鋁合金車體的創(chuàng)新結構對中國鋁合金車體設計具有引導作用。

通過有限元計算分析標準動車組鋁合金車體合理性是十分重要的，為了對標準動車組進行系統(tǒng)驗證，本文以TP03 車的鋁合金車體結構為對象，依據EN12663標準對其進行了力學承載特性分析，靜強度試驗結果對車體承載特性進行了驗證，為高速動車組設計創(chuàng)新提供了理論依據。

1 標準動車組的車體承載結構

1.1 鋁合金車體結構特點

中國標準動車組車體為大型中空鋁合金型材組焊而成的筒形結構，車體主要由底架、側墻、車頂、端墻組成，擠壓型材集成了焊接墊板，滿足機械手自動焊接的需求，減少了工作量，提高焊接質量。

底架端部做為車體關鍵的承載結構，具有車體縱向1 500 kN 壓縮和1 000 kN拉伸時車體各處應力不超材料的屈服極限的能力。標準動車組底架最顯著的特點是端部形成整體受力箱體結構，車鉤座與地板通過20 mm 厚連接板焊接，連接板后側焊接有兩個牽引梁，能滿足四角門布置，并能滿足蹲式衛(wèi)生間設置在端部的結構需求。圖1是標準動車組底架端部結構示意圖。

圖1 標準動車組底架端部結構圖

1.2 承載特性分析

車輛運行受到的縱向載荷主要由車鉤座承擔，車鉤座通過連接板和底架相連，將縱向力傳遞到地板上。同時車鉤座和下部的連接型材連接，將縱向力傳遞到底架邊梁上，整個底架端部形成一個整體的受力箱型結構，縱向力的傳遞路徑上沒有明顯的弱連接，較引進的原型動車組受力更均勻，無應力集中現(xiàn)象。車體受到的垂向力和橫向力通過枕梁傳遞到底架邊梁上，底架邊梁設計成具有足夠強度的型材，將垂向力和橫向力分散到側墻和車頂，由車體鋁結構整體承擔。

1.3 車體強度要求

依據EN12663 標準[1]，要求車體車鉤座處能承受1 500 kN壓縮載荷和1 000 kN 拉伸載荷，同時需與整備狀態(tài)和超員狀態(tài)垂向載荷符合。為保證撞車時保護乘員，車體結構設計時需滿足地板上150 mm、窗口下沿區(qū)和車頂邊梁區(qū)域分別承受400 kN、300 kN 和300 kN的縱向載荷，垂向載荷按整備狀態(tài)下的車體質量考慮。

1.4 車體剛度要求

根據TB1335—96 標準，在垂向超員載荷工況作用下，整體承載的車體彎曲剛度EJC不小于1.80 ×1015N·mm2，彎曲剛度EJC的計算公式為

式中 EJC——彎曲剛度;

W——單位長度載荷;

L1——底架外伸部分長度;

L2——車輛定距;

fc——垂直靜載荷作用下側梁中央撓度。

根據TB 1335—96 標準，在扭轉載荷工況作用下，車體扭轉剛度GJp不小于5.5 ×108N·m2/rad，扭轉剛度GJp的計算公式為

式中 GJp——車體的扭轉剛度;

Mk——扭轉力矩;

L——相對扭轉截面之間的距離;

φ——相對扭轉角;

δi——加載后i 點垂向距離的變化值(i=1，2，3，4);

b2——1，2 或3，4 位測點的距離。

2 有限元分析

2.1 計算分析簡介

標準動車組TP03 車是典型的中間車結構，車體自重最大以及車門最多，車頂帶受電弓平頂，基本涵蓋整列動車組中間車車體結構特點，圖2是TP03 車有限元模型。

圖2 標準動車組TP03 車車體有限元模型

2.2 剛度計算分析結果

在AW2 垂向載荷工況作用下，車體及底架側梁垂向位移云圖見圖3。車體底架側梁中央位置垂向靜撓度值為7.438 mm，得到TP03 車車體相當彎曲剛度EJC=2.175 ×1015N·mm2。

在扭轉載荷工況作用下，得到TP03 車車體相當扭轉剛度GJp=7.767 ×108N·m2/rad。

圖3 標準動車組TP03 車車體垂向位移圖

2.3 強度計算分析結果

在縱向1 500 kN 壓縮及垂向載荷工況下，底架端部應力在各工況中應力最大，從應力云圖上看車鉤座后側應力比較均勻，只是在地板開孔處應力集中稍嚴重，是因為材料去除造成力的不連續(xù)，底架端部應力云圖見圖4。

圖4 標準動車組底架端部應力云圖

從計算結果分析，設計中應避免在焊縫熱影響區(qū)內開孔，以免應力集中造成焊縫處應力超過屈服極限，從應力計算分析結果看，整個車體所受應力均未超過材料的許用應力，母材及焊縫的應力評價標準為EN1999，相關材料性能見表1。

表1 車體部件材料的性能參數(shù)

3 試驗驗證

參照EN12663 標準對標準動車組車體TP03 車鋁結構進行了靜強度試驗，整車共布置應力傳感器230處。共進行了15個工況的強度試驗，每個工況均采集應力數(shù)據。試驗完成后參照EN12663 標準對試驗結果進行了評定。試驗結果表明，1 500 kN 壓縮工況和1 000 kN拉伸工況時底架端部受力較大，尤其是車鉤座后側焊縫處應力達到80～100 MPa。端墻壓縮工況時門角及窗角應力較大，一般母材處應力在180～200 MPa，焊縫處應力在80～110 MPa。各工況重要位置應力見表2～表4。

表2 1 500 kN 車鉤座壓縮載荷應力值

表3 1 000 kN 車鉤座拉伸載荷應力值

表4 300 kN 窗口下沿壓縮載荷應力值

標準動車組車體的強度和剛度均滿足EN12663 標準的要求。通過對試驗結果分析發(fā)現(xiàn)，車體的變形和應力分布與試驗結果基本相符，表明有限元分析計算對設計的指導作用意義重大，鋁合金車體設計應避免在高應力區(qū)焊接，因為6系鋁合金材料焊縫強度只有母材強度的二分之一。從計算及試驗結果看，標準動車組新型鋁合金車體結構設計是成功的。

4 結束語

中國高鐵要“走出去”就需要全面掌握動車組的核心技術，標準動車組鋁合金車體設計完全正向設計，擁有完全自主知識產權，為我國高速動車組鋁合金車體設計積累了寶貴經驗。

[1]BS EN 12663，2000 鐵路應用－軌道車輛車體的結構要求[S].