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按照國務院確定的“引進先進技術、聯合設計制造、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，同時需與整備狀態和超員狀態垂向載荷符合。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、窗口下沿區和車頂邊梁區域分別承受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，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

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現，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].