張碩韶 ，王建功 ，白彥超，閻 鋒

（1.唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035；2.青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

0 前言

按照總體技術條件要求，以動車組動態(tài)包絡線為約束條件，進行車體斷面設計，根據選定的頭車氣動外形，按自頂向下的設計原則進行結構分析，在滿足車體設計概念要求的前提下，完成整車的方案設計和工程化設計。鋁合金車體按照EN 15085焊接標準設計，母材選用符合DIN 5513[1]標準的5000系和6000系鋁合金，焊接材料按ISO 18273[2]標準進行選擇。車體的設計結構適合成熟的制造工藝，其靜強度和固結強度滿足EN 12663：2000《鐵路應用——軌道車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規(guī)定》[3]的要求。

1 動車組主要技術參數

按照總體技術條件要求，高速動車組采取8輛編組，列車輪周牽引功率為16 400 kW，持續(xù)運營速度為350 km/h，最高試驗速度超過400 km/h。車體為大型中空鋁型材焊接而成的筒型整體承載結構，具有足夠的剛度，為了降低車輛運行的空氣阻力，設計了新的動車組氣動外形，優(yōu)化了受電弓和MUB的平頂結構，采用模塊化設計結構，為安裝設備提供合適的接口，簡化組裝制造工藝，優(yōu)化后的動車組主要技術參數見表1，動車組編組示意如圖1所示。

表1 動車組主要技術參數

圖1 動車組編組示意

2 鋁合金車體母材和焊接材料的選擇

2.1 鋁合金車體母材

為滿足車體鋁合金強韌性、焊接性、加工性和三維彎曲成形等綜合性能的要求，選用符合DIN 5513標準的5000系和6000系鋁合金，根據車體各部位對鋁合金的特殊要求，對5000系和6000系鋁合金的具體牌號和熱處理狀態(tài)進行了細分。

EN AW-5083擁有良好的焊接性能和抗腐蝕性。它在H111的狀態(tài)下，可塑性很好，但擠壓加工性較差，難以得到薄壁及中空型材。司機室前窗框周圍的三維板材和底架前端的連接板選用EN AW-5083鋁合金。

EN AW-6005A合金既具有中等強度，相比其他如EN AW-6082或EN AW-6061的合金，它擠壓出形狀更為復雜的產品，特別是對于薄壁空心型材更為明顯。車體主體斷面的邊梁、地板、側墻、車頂各通長的型材都是選用T6狀態(tài)下的EN AW-6005A鋁合金型材。司機室各彎梁、縱向梁和彎曲立柱等各骨架件，都是選用T4狀態(tài)下的EN AW-6005A合金型材先進行三維彎曲，再經熱處理到T6狀態(tài)。

EN AW-6008是在EN AW-6005A的基礎上發(fā)展起來的合金，這種合金的產品具有均勻一致的再結晶晶粒結構，能夠擠壓出復雜斷面的型材，在厚度小于等于8 mm時具有中等強度，并且可焊性良好，適合TIG和MIG焊。司機室?guī)Ъ訌娊畹母鱾葔Π?、車頂板等件，都是選用T4狀態(tài)下的EN AW-6008合金型材先進行三維彎曲，再經熱處理到T6狀態(tài)。

EN AW-6082是一種熱處理后具備高強度的鋁合金，適用做空心型材和板材，同時具有較好的耐腐蝕性，對于MIG和TIG有很好的焊接性，在T4狀態(tài)時模鍛性很好，并且其機械性能良好。底架前端的下蓋板就是選用T6狀態(tài)下的EN AW-6082鋁板材，司機室的防撞梁選用的是T6狀態(tài)下的EN AW-6082鋁型材。

車體選用的材料如表2所示。

2.2 焊接材料

鋁合金車體是由鋁合金板材和型材拼焊的全焊接結構，由于鋁合金的特殊屬性，它的焊接接頭有明顯的弱化傾向，一般來講，強化鋁合金的焊接接頭與母材相比強度會下降30%以上。試驗表明，6061-T6的臨界失效面抗拉強度約為母材初始值的0.59倍[4]，因此，選擇匹配的焊接材料來保證焊接接頭質量尤為重要。

焊接材料（填充金屬）選擇需考慮以下因素：

（1）與母材的化學成分相兼容，例如焊接裂紋傾向；（2）接頭力學性能要求（整體考慮焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬性能）；（3）焊接部件或焊接構件的后續(xù)處理，例如表面處理、陽極氧化和裝飾拋光；（4）對接頭的耐腐蝕性要求；（5）最佳焊接性。

考慮到以上因素，為保證焊接接頭的力學性能，在ISO 18273標準中選用了匹配的焊接材料，牌號為Al 5087，化學名稱為AlMg4.5MnZr。經焊接工藝評定驗證，此焊接材料完全符合設計要求。

3 鋁合金車體結構

3.1 車體總成

鋁合金車體由車體全長的大型中空鋁合金型材組焊而成，為筒型整體承載結構。車體承載結構是由底架、側墻、車頂、端墻以及司機室組成為一個整體，這樣使得車體具有良好的防振、隔音效果。使用的材料為可焊接鋁合金，確保了車輛良好的防腐性。車體的側墻、底架、車頂部位的型材連接方式基本采用插接和搭接型式，車體斷面和結構分解如圖2、圖3所示。

表2 車體選用的材料及其性能

圖2 車體斷面

圖3 車體結構分解

車體組成中側墻、車頂、底架形成的筒形結構與端墻、司機室靠彎曲的連接板焊接組成，端墻與側墻、端墻與車頂的連接由連接板分別與各大部件焊接完成，這種連接方式可以使側墻、車頂的長度公差不影響整個車體組成，即使側墻、車頂在長度方向上與底架有一定的尺寸差，也可以用修磨連接板的方式解決，連接板的寬度約為40 mm。連接及焊接型式如圖4所示。

圖4 司機室與車頂的連接型式

3.2 底架

底架主要由兩大部分組成：底架前端和地板，邊梁部分。邊梁縱向貫通，底架前端和地板均與邊梁焊接，底架前端和地板通過連接梁、連接板相連，連接梁為型材，連接板可以調整寬度，保證車體長度。

3.3 車頂

車頂由高頂、平頂和端頂三部分焊接而成，高頂由五塊大型中空鋁型材拼焊而成，平頂型材整體的截面高度比較小，并且平頂輪廓不是便于承載的拱形結構，所以型材上下面及中間筋的材料厚度均比其他部位厚很多。

3.4 側墻

側墻由五種型材拼焊而成，側墻窗口上部和下部為連續(xù)通長的中空擠壓型材，與單個的窗間板焊接而成，經調修達到要求后開銑窗口。

3.5 司機室

司機室由六部分組成，即司機室前端、司機室后框、司機室左側墻、司機室右側墻、司機室車頂和司機室前窗玻璃安裝框（見圖5）。司機室采用較大截面的有壓筋的墻頂板與梁柱組焊而成，梁柱多為開口型材，組焊后司機室的變形小，曲面過渡光滑，外表美觀。因梁柱多在同一截面，使得司機室的抗扭、抗彎能力強，結構堅固。

圖5 頭車司機室的結構分解

4 車體靜強度計算和方案改進

4.1 靜強度計算

依據EN12663：2000《鐵路應用—鐵路車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規(guī)定》，對高速列車頭車車體靜強度進行了有限元分析計算，計算的載荷工況見表3。車體有限元模型如圖6所示，基本采用殼單元shell63來建立，對于較為復雜的不規(guī)則模型采用三維實體單元solid45進行離散。

在垂向載荷、縱向拉壓、車端壓縮、扭轉載荷、抬車及氣密載荷等各載荷工況下，分別對車體結構進行了有限元計算，圖7為第一種工況下的車體應力云圖。

4.2 車體方案改進

計算結果表明，第三種工況下側門口下門角內側應力值為138MPa，大于許用應力值115 MPa（見圖8）。

根據計算結果，為降低下門角的計算應力值，對底架邊梁型材的兩處壁厚進行了加厚處理。為減少修改工作量，加厚時沒有改變型材的外形輪廓，只修改壁厚，將型材的內側壁厚由6 mm改為7.5 mm，斜筋壁厚由4 mm改為5.5 mm，邊梁下面C型槽壁厚由4 mm改為5 mm，方案如圖9所示。

表3 動車組主要技術參數

圖6 車體整體有限元模型

圖7 車體應力云圖

圖8 下門角應力超標位置

圖9 底架邊梁改進方案

計算結果表明，改進后下門角在第三種工況下計算應力值為114 MPa，小于許用應力值115 MPa（見圖10），整個車體母材和焊縫的計算應力均小于許用應力，該車體結構滿足靜強度要求。

圖10 下門角應力云圖

5 車體工藝及靜強度試驗驗證

5.1 車體工藝驗證

為制造鋁合金車體，共制作27套焊接工裝、12套加工工裝和6套調修工裝，在車體總組成工序開發(fā)了低平頂車體組成制造胎（見圖11），繪制了對應的工藝流程圖，制定了相應的工藝方案和檢測方案。經檢測，鋁合金頭車車體符合設計要求（見圖12）。

圖11 車體組成制造胎

圖12 頭車車體

在司機室制作過程中，共制作二維和三維彎曲模具35套，制作小型焊接工裝5套，大型焊接工裝6套。多種彎曲模具的使用保證了單件的尺寸精度，目前司機室三維彎曲件的制作已經實現(xiàn)了國產化。多套剛度足夠并運用反變形技術的焊接工裝減少了司機室各部件和整個司機室的焊接變形，司機室總成焊接工裝如圖13所示。

圖13 司機室總成焊接工裝

5.2 車體靜強度試驗驗證

按照表3所列的載荷工況，對樣車進行了靜強度試驗。試驗在專用的靜強度試驗臺上進行，能模擬各個工況載荷的施加。圖14為一位端地板上方150 mm高度、400 kN縱向壓縮載荷試驗照片，圖15為氣密強度試驗照片。

圖14 一位端地板上方150 mm、高度400 k N縱向壓縮載荷試驗

圖15 氣密強度試驗照片

計算時，發(fā)現(xiàn)應力較高的位置在底架前端橫梁變截面和側門口下門角處，因此，在試驗時重點關注了這些區(qū)域。圖16為底架前端橫梁變截面處應變片位置圖（E33），試驗結果表明第二種工況下此處應力值為182.7 MPa，小于許用應力值200 MPa，圖17為一位端側門口下門角處應變片位置圖（E62），試驗結果表明第三種工況下此處應力值為78.8 MPa，小于許用應力值115 MPa，同時也比計算應力值114 MPa小34.2 MPa。試驗結果表明，頭車車體各測點應力值均小于許用應力值，其強度滿足EN12663：2000《鐵路應用—軌道車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規(guī)定》的要求。

6 結論

經計算和試驗，證明新設計的整體承載結構車體的強度滿足EN12663：2000《鐵路應用——軌道車輛車體結構要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規(guī)定》的要求，同時，其焊接結構的工藝性也得到了相應的驗證。

圖16 底架前端橫梁變截面處應變片位置

圖17 側門口下門角處應變片位置

[1]DIN 5513：2007.軌道車輛材料—鋁和鋁合金[S].

[2]ISO 18273：2004.焊接消耗品—鋁和鋁合金焊接用焊絲和焊條[S].

[3]200 km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規(guī)定[S].

[4]李靜斌.鋁合金焊接節(jié)點力學性能的試驗研究[J].土木工程學報，2007，40（2）：25-32.