250 km/h動車組頭車底架有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

何曉蕾　劉晨輝　宋巍　宋明陽　霍鑫龍

摘要：底架作為動車組車體關(guān)鍵承載部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的剛度及強度對整車的安全使用及性能有很大影響。采用ANSYS有限元方法，在整車分析的基礎(chǔ)上，對250 km/h動車組底架的結(jié)構(gòu)進行強度分析研究。對底架主要的典型載荷下應(yīng)力集中部位（牽引梁等）進行局部應(yīng)力分析并優(yōu)化，對250 km/h動車組頭車車體結(jié)構(gòu)進行了靜強度試驗。在各工況和載荷作用下，各應(yīng)力測點的應(yīng)力及合成應(yīng)力和位移測點的位移值均小于所用材料的彈性極限，底架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

關(guān)鍵詞：動車組;底架;有限元分析;強度;結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TG457.2文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0031-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.06

0 前言

隨著列車新車型的研制及速度的提高，車體雖為整體式承載，但底架在車體承載結(jié)構(gòu)中始終起著主導(dǎo)作用，車體底架仍是整個車體的承載基礎(chǔ)。250 km/h動車組底架設(shè)計為通長鋁合金中空型材焊接結(jié)構(gòu)，采用無中梁形式的邊梁承載，車下設(shè)備采用底架邊梁吊掛方式，便于整體吊裝設(shè)備。底架不僅承受整個車體、車內(nèi)及車下設(shè)備的質(zhì)量，同時還承擔(dān)著將車體傳來的牽引及制動力傳遞給車鉤，并承受車體運行中的各種復(fù)雜的動應(yīng)力，因此底架需具備足夠的強度和剛度。因而底架設(shè)計成為整個車體設(shè)計中的重點。

1 車體概述

車體作為列車的組成主體，既是乘坐載體，又是安裝和連接其他系統(tǒng)組成部分的基礎(chǔ)。車體由底架、車頂、側(cè)墻、司機室頭部結(jié)構(gòu)、端墻以及焊接附件等組成。車體設(shè)計采用輕量化設(shè)計理念，以底架為主、其他部件共同參與的薄壁筒型整體式承載結(jié)構(gòu)。主要采用通長大型中空鋁合金擠壓型材組焊而成[3]，較好地考慮了強度和剛度的關(guān)系。

2 底架主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

技術(shù)規(guī)范上要求，在車鉤安裝面承載能力為：縱向拉伸載荷1 000 kN，縱向壓縮載荷1 500 kN。因此，在設(shè)計車體底架時，將頭車端部結(jié)構(gòu)、中間車端部結(jié)構(gòu)、雙層中空地板，與底架邊梁組焊成整體承載式結(jié)構(gòu)，邊梁及地板由長大鋁合金型材縱向焊縫整體拼接而成;地板型材縱向貫通，邊梁承擔(dān)主要縱向和垂向載荷，有效地改善了底架的受力狀況，降低了牽引梁與地板連接處的應(yīng)力水平。在截面變化較大部位采取了局部結(jié)構(gòu)處理，減少了應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂的現(xiàn)象。

整個底架關(guān)于縱向中心線對稱，主要由地板、邊梁和端部緩沖梁組成。底架邊梁與地板采用搭接或插接方式，通過調(diào)整搭接量，能夠有效保證整個底架的寬度。底架為空調(diào)風(fēng)道、轉(zhuǎn)向架及其他車下設(shè)備預(yù)留設(shè)計空間;車下設(shè)備安裝為模塊化設(shè)計，采用邊梁吊裝的特殊螺栓懸掛方式。

2.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

頭車底架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：軌距1 435 mm，底架總寬度3 300 mm，頭車底架長度23 151.5 mm，二位端車鉤高度935 mm，一位端車鉤高度1 000 mm，底架上面距軌面高1 180 mm，縱向壓縮載荷1 500 kN，縱向拉伸載荷1 000 kN。

2.2 底架主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

底架設(shè)計采用Creo軟件進行三維模塊化建模設(shè)計，底架總圖如圖1所示。

2.2.1 底架邊梁設(shè)計

底架的縱向載荷和垂向載荷通過端部結(jié)構(gòu)傳遞到底架邊梁，因此邊梁的強度和剛度要求很高。邊梁截面設(shè)計為箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部合理布置了連接筋，既提高了垂向剛度，又能滿足車下設(shè)備的吊掛功能。通過底架邊梁來懸掛較重的設(shè)備及本身容易產(chǎn)生強烈振動的懸掛部件，可以避免地板型材剛度不足易發(fā)生振顫、傳遞振動噪聲和產(chǎn)生疲勞等問題。在優(yōu)化底架承載結(jié)構(gòu)的同時，也減輕了地板型材的質(zhì)量，提高了乘坐的舒適性。

同時底架邊梁的設(shè)計還綜合了側(cè)墻及門角柱的連接接口，考慮了地板以及側(cè)門的安裝等。在與車門配合的位置預(yù)留一個密封臺，保證了電動外塞拉門車門的密封性。由于底架邊梁在門角區(qū)域應(yīng)力較高，設(shè)計時將底架邊梁型材外側(cè)高出地板適當(dāng)高度，使門角整體加工成型，避免邊梁與側(cè)墻在此位置焊接，改在低應(yīng)力區(qū)域進行焊接。采用搭接或插接形式設(shè)計邊梁與地板的連接，避免了因焊接變形引起的收縮問題。

2.2.2 地板結(jié)構(gòu)

地板是由6塊自帶C型槽的雙層中空擠壓鋁型材拼焊而成，保證了地板的剛度和氣密強度。組焊后的地板上部與下部各為一平面，與底架邊梁、中間車端部結(jié)構(gòu)、頭車前端結(jié)構(gòu)組焊成為底架整體。長地板中空型材結(jié)構(gòu)可用于布置電氣走線。車內(nèi)外各種附件如制動管路、電氣線槽或支撐架均掛靠在型材自帶C型槽內(nèi)，使安裝時方便快捷。

采用機械手焊接通長地板。整體機加工組焊好的地板，各種附件鑲嵌在地板中，起到車上車下的連接作用，在地板開孔且設(shè)有加強筋，用于保證其強度;附件采用段焊加抹密封膠或直接采用結(jié)構(gòu)膠，既保證了結(jié)構(gòu)強度，又能夠密封，且防止了焊接變形[2]。地板通過地板型材的連接平臺與邊梁上面及伸出的筋板搭接角焊，既保證了強度，又實現(xiàn)了車體寬度的調(diào)整，如圖2所示。

2.2.3 頭車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計

頭車底架一位端部結(jié)構(gòu)為被動防護設(shè)計，其耐撞擊吸能結(jié)構(gòu)是該車體結(jié)構(gòu)的特色技術(shù)之一，前端預(yù)留了防撞吸能結(jié)構(gòu)接口，用戶需要時可加裝吸能部件。上部安裝司機室外罩的同時，底部滿足車鉤的安裝。底架端部結(jié)構(gòu)承受了列車連掛或制動時由車鉤傳遞的巨大縱向載荷，并承受很大的彎矩。前端在司機室端部向車體中心線內(nèi)側(cè)收攏7°，滿足了車頭外形及曲線限界的需要。因此，前端結(jié)構(gòu)也需要順勢內(nèi)收，如何實現(xiàn)其力的合理傳遞成為前端設(shè)計的重點。

由于牽引梁安裝在端側(cè)墻上，列車牽引制動的巨大的縱向載荷通過車鉤從端側(cè)墻傳遞到后面的邊梁上[4]。通過對其連接邊梁的復(fù)雜載荷進行仿真分析和試驗驗證，以及優(yōu)化設(shè)計連接區(qū)域，確定用連接板連接端側(cè)墻、L梁與邊梁;經(jīng)過多方案比選計算，選擇10 mm厚連接板進行過渡連接。防撞單元安裝座的焊縫密集，焊后變形大且不易控制，經(jīng)過工藝焊接試件驗證，通過將頭車前端與地板邊梁連接區(qū)域焊后局部加工后，再進行邊梁與地板的組裝配合，焊接變形得到了很大的改善。

2.2.4 中間車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計

中間車前端是安裝車鉤及緩沖器的重要零部件，由端部緩沖梁、牽引梁、底板、支撐梁等組成，如圖4所示。前端直接傳遞車體的縱向牽引力及縱向沖擊載荷。在牽引梁尾部進行削形處理，4根牽引梁分別焊在底架下的加強筋處，有效地將牽引力和緩沖力傳遞到地板及邊梁上，滿足端部力的傳遞要求。前端下部結(jié)構(gòu)為車鉤箱，用于安裝中間車鉤及緩沖器。其結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好，有良好的耐沖擊性能，能承受車體壓縮及拉伸最大工況的載荷。因此底架端部材料大部分選擇沖擊性能較好的6082-T6的鋁合金型材，只有前端墻和蓋板為6005A-T6。

2.2.5 頂車位的設(shè)計

動車組底架上設(shè)置8個頂車位，每端布置4個頂車點，分別在轉(zhuǎn)向架枕梁的兩側(cè)，相對于轉(zhuǎn)向架呈對稱分布，便于救援和維修時頂車作業(yè)。分別通過螺栓將頂車墊板固結(jié)到8個頂車點，頂車位墊板下部采用波紋面，增加了抗磨耗能力，如圖5所示。

3 底架材料選擇

底架在車體運行中承受較大的動載荷，因此選材時不僅要求其具有良好的焊接性能，還應(yīng)有較高的抗拉強度和屈服強度，同時也有一定的冷彎性能及韌性。

在底架選擇材料時，綜合考慮其機械性能、可焊性及工藝性，主要選擇了材質(zhì)為鋁合金6005A、6082、5083三種，底架通長型材是鋁合金6005A-T6，底架端部型材大部分是合金6082-T6，板材為5083。底架結(jié)構(gòu)用合金化學(xué)成為比較如表1所示。

4 底架強度與剛度計算

由于車體結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的箱形整體承載結(jié)構(gòu)，底架、司機室、側(cè)墻、車頂?shù)戎饕休d部件焊接成一體，很難確定相互之間力的約束，因此在進行強度計算分析時，一般不單獨對底架進行計算，而是對整個車體考核仿真計算。文中僅分析與底架相關(guān)的計算結(jié)果。

4.1 材料屬性

材料的物理屬性如表2所示，車體材料的力學(xué)性能如表3所示。

4.2 車體有限元模型的建立

建立動車組MC車車體有限元模型時，以任意四節(jié)點薄殼單元為主，三節(jié)點薄殼單元為輔。車體有限元模型中單元總數(shù)1 106 230，結(jié)點總數(shù)870 394，車體的有限元模型如圖6所示。

4.3 與底架相關(guān)的計算載荷工況及邊界條件

車底架結(jié)構(gòu)按照UIC566[2]與EN12663標(biāo)準(zhǔn)[1]設(shè)計并能承受以下縱向載荷：車鉤位置，拉壓載荷分別為1 000 kN和1 500 kN，該車歸為P-Ⅱ，各載荷工況和位移約束描述如表4以及圖7所示，所有工況均滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.4 靜強度分析結(jié)果

文中只列出與底架相關(guān)的幾個極限載荷工況：

（1）在AW3狀態(tài)下，車鉤處縱向壓縮載荷為1 500 kN，門角處出現(xiàn)最大應(yīng)力為73.548 MPa，小于母材許用應(yīng)力115 MPa?？褪蚁麻T角局部應(yīng)力云圖如圖8所示。

（2）在AW3狀態(tài)下，初始設(shè)計中間車端部結(jié)構(gòu)在車鉤處縱向拉伸載荷1 000 kN，底架結(jié)構(gòu)中應(yīng)力最大位置發(fā)生在端部緩沖梁與牽引梁的焊縫末端，最大應(yīng)力為111.9 MPa，接近許用應(yīng)力115 MPa（此處按焊縫考核）。牽引梁末端應(yīng)力云圖如圖9所示。

此結(jié)構(gòu)中端部緩沖梁較窄，導(dǎo)致底架端部的結(jié)構(gòu)強度和剛度不夠好，因此對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，由開口單邊型材改為閉口型材，增加了底架端部的結(jié)構(gòu)強度和剛度。優(yōu)化后端部緩沖梁與牽引梁的焊縫末端最大應(yīng)力為94.389 MPa，如圖10所示，遠遠小于標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 剛度分析結(jié)果

最大垂向載荷下，車體最大垂向位移13.94 mm，發(fā)生在車體地板中心位置，底架邊梁型材最大垂向位移為7.49 mm，如圖9所示。

5 靜強度試驗

5.1 試驗概述

為了驗證車體強度和剛度是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，一般不單獨對底架進行試驗，而是對整車進行靜強度試驗。根據(jù)《鐵路應(yīng)用-軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求：機車和客車》的有關(guān)要求，對250 km/h動車組頭車車體結(jié)構(gòu)進行了靜強度試驗，通過對比試驗結(jié)果與計算結(jié)果，驗證了仿真計算的正確性。

共進行了16個工況的試驗，車體靜強度試驗如圖12所示。

5.2 試驗結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果和以往項目的經(jīng)驗布置測試點，著重考慮應(yīng)力較大位置以及焊縫區(qū)域應(yīng)力情況[3]。結(jié)果表明，所有測點的應(yīng)力值均低于許用應(yīng)力值，應(yīng)力高點E34（見圖13）應(yīng)力值為104.5 MPa，遠低于許用應(yīng)力值，車體變形量均滿足設(shè)計要求。在各工況及載荷作用下，各應(yīng)力測點的應(yīng)力及合成應(yīng)力和位移測點的位移值均小于所用材料的彈性極限。

試驗結(jié)果表明，該動車組車體結(jié)構(gòu)強度滿足EN12663-1：2014《鐵路應(yīng)用-軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》的要求[1]。由此可見，底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計是合理的。

6 結(jié)論

近年來，底架作為動車組車體的關(guān)鍵承載部件，其整體及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性及縱向承載能力直接影響到動車組的安全運行，越來越受到關(guān)注。因此，底架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性及其優(yōu)化，特別是疲勞強度分析計算，為實現(xiàn)車體輕量化設(shè)計提供了技術(shù)保障。此外，在底架結(jié)構(gòu)的選材以及計算分析手段上進行深入研究也值得重視。

隨著鐵路向綠色環(huán)保、節(jié)能節(jié)耗發(fā)展，對車體的輕量化設(shè)計提出了更高的要求，因此底架的結(jié)構(gòu)設(shè)計需提到一個更高的水平，既能滿足總體結(jié)構(gòu)性能要求，又能實現(xiàn)減輕質(zhì)量、降低成本，新材料成為工程應(yīng)用研究和發(fā)展的新方向。

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