王超

(長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春130062)

0 前言

2004年開始，我國(guó)動(dòng)車組制造企業(yè)按照國(guó)務(wù)院確定的“引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計(jì)制造、打造自主品牌”的總體指導(dǎo)方針，分別與國(guó)外知名企業(yè)合作引進(jìn)了電動(dòng)車組的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，通過消化吸收，設(shè)計(jì)制造了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380 等“和諧號(hào)”系列電動(dòng)車組。但鋁合金車體結(jié)構(gòu)在原引進(jìn)動(dòng)車組基礎(chǔ)上未做大的變動(dòng)，隨著用戶使用需求的提高和中國(guó)鐵路走出去的需要，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋁合金車體結(jié)構(gòu)具有重大意義，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組鋁合金車體的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)對(duì)中國(guó)鋁合金車體設(shè)計(jì)具有引導(dǎo)作用。

通過有限元計(jì)算分析標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組鋁合金車體合理性是十分重要的，為了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，本文以TP03 車的鋁合金車體結(jié)構(gòu)為對(duì)象，依據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)承載特性分析，靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)車體承載特性進(jìn)行了驗(yàn)證，為高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供了理論依據(jù)。

1 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的車體承載結(jié)構(gòu)

1.1 鋁合金車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體為大型中空鋁合金型材組焊而成的筒形結(jié)構(gòu)，車體主要由底架、側(cè)墻、車頂、端墻組成，擠壓型材集成了焊接墊板，滿足機(jī)械手自動(dòng)焊接的需求，減少了工作量，提高焊接質(zhì)量。

底架端部做為車體關(guān)鍵的承載結(jié)構(gòu)，具有車體縱向1 500 kN 壓縮和1 000 kN拉伸時(shí)車體各處應(yīng)力不超材料的屈服極限的能力。標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組底架最顯著的特點(diǎn)是端部形成整體受力箱體結(jié)構(gòu)，車鉤座與地板通過20 mm 厚連接板焊接，連接板后側(cè)焊接有兩個(gè)牽引梁，能滿足四角門布置，并能滿足蹲式衛(wèi)生間設(shè)置在端部的結(jié)構(gòu)需求。圖1是標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組底架端部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組底架端部結(jié)構(gòu)圖

1.2 承載特性分析

車輛運(yùn)行受到的縱向載荷主要由車鉤座承擔(dān)，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(shí)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(gè)底架端部形成一個(gè)整體的受力箱型結(jié)構(gòu)，縱向力的傳遞路徑上沒有明顯的弱連接，較引進(jìn)的原型動(dòng)車組受力更均勻，無(wú)應(yīng)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(shè)計(jì)成具有足夠強(qiáng)度的型材，將垂向力和橫向力分散到側(cè)墻和車頂，由車體鋁結(jié)構(gòu)整體承擔(dān)。

1.3 車體強(qiáng)度要求

依據(jù)EN12663 標(biāo)準(zhǔn)[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(shí)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(shí)保護(hù)乘員，車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(zhì)量考慮。

1.4 車體剛度要求

根據(jù)TB1335—96 標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)算公式為

式中 EJC——彎曲剛度;

W——單位長(zhǎng)度載荷;

L1——底架外伸部分長(zhǎng)度;

L2——車輛定距;

fc——垂直靜載荷作用下側(cè)梁中央撓度。

根據(jù)TB 1335—96 標(biāo)準(zhǔn)，在扭轉(zhuǎn)載荷工況作用下，車體扭轉(zhuǎn)剛度GJp不小于5.5 ×108N·m2/rad，扭轉(zhuǎn)剛度GJp的計(jì)算公式為

式中 GJp——車體的扭轉(zhuǎn)剛度;

Mk——扭轉(zhuǎn)力矩;

L——相對(duì)扭轉(zhuǎn)截面之間的距離;

φ——相對(duì)扭轉(zhuǎn)角;

δi——加載后i 點(diǎn)垂向距離的變化值(i=1，2，3，4);

b2——1，2 或3，4 位測(cè)點(diǎn)的距離。

2 有限元分析

2.1 計(jì)算分析簡(jiǎn)介

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組TP03 車是典型的中間車結(jié)構(gòu)，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(dòng)車組中間車車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，圖2是TP03 車有限元模型。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組TP03 車車體有限元模型

2.2 剛度計(jì)算分析結(jié)果

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

在扭轉(zhuǎn)載荷工況作用下，得到TP03 車車體相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度GJp=7.767 ×108N·m2/rad。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組TP03 車車體垂向位移圖

2.3 強(qiáng)度計(jì)算分析結(jié)果

在縱向1 500 kN 壓縮及垂向載荷工況下，底架端部應(yīng)力在各工況中應(yīng)力最大，從應(yīng)力云圖上看車鉤座后側(cè)應(yīng)力比較均勻，只是在地板開孔處應(yīng)力集中稍嚴(yán)重，是因?yàn)椴牧先コ斐闪Φ牟贿B續(xù)，底架端部應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組底架端部應(yīng)力云圖

從計(jì)算結(jié)果分析，設(shè)計(jì)中應(yīng)避免在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)開孔，以免應(yīng)力集中造成焊縫處應(yīng)力超過屈服極限，從應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果看，整個(gè)車體所受應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力，母材及焊縫的應(yīng)力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為EN1999，相關(guān)材料性能見表1。

表1 車體部件材料的性能參數(shù)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

參照EN12663 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體TP03 車鋁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，整車共布置應(yīng)力傳感器230處。共進(jìn)行了15個(gè)工況的強(qiáng)度試驗(yàn)，每個(gè)工況均采集應(yīng)力數(shù)據(jù)。試驗(yàn)完成后參照EN12663 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，1 500 kN 壓縮工況和1 000 kN拉伸工況時(shí)底架端部受力較大，尤其是車鉤座后側(cè)焊縫處應(yīng)力達(dá)到80～100 MPa。端墻壓縮工況時(shí)門角及窗角應(yīng)力較大，一般母材處應(yīng)力在180～200 MPa，焊縫處應(yīng)力在80～110 MPa。各工況重要位置應(yīng)力見表2～表4。

表2 1 500 kN 車鉤座壓縮載荷應(yīng)力值

表3 1 000 kN 車鉤座拉伸載荷應(yīng)力值

表4 300 kN 窗口下沿壓縮載荷應(yīng)力值

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體的強(qiáng)度和剛度均滿足EN12663 標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，車體的變形和應(yīng)力分布與試驗(yàn)結(jié)果基本相符，表明有限元分析計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用意義重大，鋁合金車體設(shè)計(jì)應(yīng)避免在高應(yīng)力區(qū)焊接，因?yàn)?系鋁合金材料焊縫強(qiáng)度只有母材強(qiáng)度的二分之一。從計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果看，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組新型鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)高鐵要“走出去”就需要全面掌握動(dòng)車組的核心技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組鋁合金車體設(shè)計(jì)完全正向設(shè)計(jì)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為我國(guó)高速動(dòng)車組鋁合金車體設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]BS EN 12663，2000 鐵路應(yīng)用－軌道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求[S].