高速動車組鋁合金車體結構優化

鄧海,閔韓琴

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

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高速動車組鋁合金車體結構優化

鄧海,閔韓琴

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

采用有限元數值分析技術與整車靜強度試驗和在線測試相結合的方法，依據EN 12663- 2010標準，對新一代高速動車組鋁合金車體底架和門框進行結構優化；基于車體端墻結構模態分析，確定提高一階縱向彎曲振動頻率的端墻改進結構.經相關試驗驗證了車體優化方案的可行性，并將此方案運用于實際生產中.

動車組；局部模態；靜強度試驗；在線測試

0 引言

新一代高速動車組鋁合金車體主結構是在引進的CRH3型動車組車體結構的基礎上設計的，車體材料選擇6xxx系鋁合金材料，車體材料滿足DIN5513標準[1]；車體結構滿足EN1999標準[2]，車體強度設計滿足《200 km及以上速度級鐵道車輛-強度設計及試驗鑒定暫行規定》及EN 12663標準[3].由于動車組鋁合金車體焊縫強度評價標準EN1999的升級，例如：厚度t≤5 mm的6005A-T6型材，1998版的EN1999標準中的焊縫熱影響區的許用應力為140 MPa，2007版的焊縫熱影響區的許用應力僅為115 MPa.因此，采用2007版的EN1999標準，評價CRH3型動車組車體底架前端及門口局部結構時，存在強度不足問題.此外，CRH3型動車組在運營過程中，車體端墻和扶手出現強烈振動現象.

本文借助整車車體靜強度有限元分析與靜強度試驗，篩選滿足EN1999- 2007標準的新一代高速動車組鋁合金車體底架前端和門口結構的最佳方案；通過車體端墻結構模態分析及在線測試，確定提高端墻縱向彎曲振動頻率的改進結構.

1 車體局部結構改進及試驗驗證

依據EN1999- 2007標準，評價CRH3型動車組車體結構時，鋁合金車體底架前端及門口存在局部應力超標問題，具體超標點位置見圖1(E1、E2、E3、E4是貼應變片的位置).

為解決底架前端應力超標問題，制定了九種優化方案，具體優化方案見表1，前端結構示意如圖2所示.為提高門口局部強度，制定了兩種優化方案：①底架邊梁型材尺寸G由6 mm改為7 mm，尺寸F由4 mm改為5 mm，門上橫梁型材尺寸J由5 mm改為5.5 mm，尺寸H由4 mm改為4.5 mm；②底架邊梁型材尺寸G由6 mm改為7.5 mm，尺寸F由4 mm改為5.5 mm，門上橫梁型材尺寸J由5 mm改為5.5 mm，尺寸H由4 mm改為4.5 mm.

圖1 車體底架前端及門口局部應力超標點示意

圖2 底架前端、邊梁、門上橫梁結構示意圖

優化方案改進結構說明1取消件1的開孔D,板厚A為15mm,厚度不變.2取消件1的開孔D,板厚A由15mm改為20mm.3取消件1的開孔D,板厚A由15mm改為25mm.4件3改為傾斜的,件1板厚A為15mm,開孔形狀D變化.5件3開圓孔,件1板厚A為15mm,開口形狀D變化.6件1板厚A由15mm改為20mm;件2板C板厚度改為20mm;件3板厚B由3mm改為去10mm;件4板厚E由6mm改為10mm.7在方案6的板厚基礎上,改變件1開孔D的形狀和尺寸,使其開孔避開焊縫位置.8在方案7的基礎上,開孔D形式不變,件3板厚B改為3mm件4板厚E改為7mm.9在方案7的基礎上,開孔D形式改變,件3板厚B改為12mm,件4板厚E改為10mm.

為篩選出車體底架前端及門口結構的最佳方案，在車體不同狀態的車鉤區域1 500 kN壓縮載荷工況作用下，分別對底架前端的九種方案和門口結構的二種方案開展整車車體靜強度有限元分析，依據數值分析結果，確定底架前端的第九個方案和門口結構第二個方案滿足EN1999- 2007標準的設計要求.圖3為車體底架前端和門口的計算結果.將上述設計方案應用于鋁合金車體設計中，并制造出物理樣車(參見圖4).車體底架前端及門口結構的靜強度試驗數據[4]見表2和3.由表2和3可以看出：物理樣車車體底架前端及門口結構的測點應力均小于它們的許用應力.

圖3 車體局部結構的靜強度計算結果

圖4 車體靜強度試驗

工況測量點應力/MPaE1點E2點許用應力MPa工況描述1-108.7-106.8115車鉤1500kN壓縮載荷2-111.6-111.2115工作狀態車鉤1500kN壓縮載荷3-112.4-113.9115最大載荷狀態車鉤1500kN壓縮載荷

表3 車體門口的試驗結果

2 車體端墻模態分析及試驗研究

為研究CRH3型動車組車體端墻和扶手局部振動特性，在端墻原始設計(稱為方案1)的基礎上，增加端墻立柱(稱為方案2)，尺寸為2 560 mm×80 mm×45 mm×8 mm ；端墻增加立柱，并同時車頂相鄰區域增加橫梁、縱梁(稱為方案3)，尺寸分別為：1 885 mm×140 mm×155 mm×5 mm 和1 155 mm×133 mm×8 mm.車體材料密度為3.13×103kg/m3，彈性模量為7.0×104MPa，泊松比為0.33.

車體端墻結構三方案模態分析的有限元模型1的單元總數為125 776，節點總數為113 316，結構質量為1.589 t；模型2的單元總數為126 718，節點總數為114 098，結構質量為1.614 t；模型3的單元總數為128 784，節點總數為115 962，結構質量為1.638 t.車體端墻結構模態分析邊界條件一致，均在車體一端施加全約束.

分析圖5、圖6以及表4可得出：車體端墻增加立柱后，車體端墻的一階縱向彎曲振動頻率提高了3.87 Hz；二階縱向彎曲振動頻率提高了4.01 Hz.

(a)端墻一階縱向彎曲 (b)端墻二階縱向彎曲 (a)端墻一階縱向彎曲 (b)端墻二階縱向彎曲

圖5 車體端墻原結構的振型云圖 圖6 車體端墻結構方案二的振型云圖

表4 車體端墻結構三方案的模態分析結果 Hz

階數方案1方案2方案3138.2837.7337.76242.69(端墻一階縱向彎曲)46.56(端墻一階縱向彎曲)46.57(端墻一階縱向彎曲)346.35(端墻二階縱向彎曲)50.36(端墻二階縱向彎曲)50.36(端墻二階縱向彎曲)460.0860.0660.06561.2261.2261.22

為確認車體端部結構改進方案的效果，在哈爾濱西-扶余北區段，對動車組(運行速度為292 km/h)車體端墻方案二和原方案進行振動響應測試，測點布置參見圖7和表5，測試結果[5]如圖8所示.從圖8可知：端部結構更改后縱向振動主頻后移5 Hz，振幅相對下降.

表5 端部扶手振動測點

圖7 測試車體端門立柱及振動響應測點布置

圖8 端墻和扶手測點的頻譜圖

3 結論

采用有限元數值分析技術與整車靜強度試驗和在線測試相結合的方法，篩選出滿足EN1999- 2007標準的CRH3型動車組車體底架前端及門口結構的最佳設計方案，試驗測點應力均小于它們的許用應力；增加立柱的車體端墻的一階縱向彎曲振動頻率提高了3.87 Hz；二階縱向彎曲振動頻率提高了4.01 Hz，端部結構的在線振動響應測試數據表明，縱向振動主頻后移5 Hz，振幅下降，端部側墻和扶手的振動特性得到了一定改善.

[1]DIN5513- 2007軌道車輛材料：鋁及鋁合金[S].德國：[s.n.],2007.

[2]The European Standard(EN).BS EN1999- 1- 1：2007 Eurocode 9:Design of aluminum structures(Part 1- 1：General structural rules)[S].British:BSI，2007.

[3]BS EN 12663- 1:2010鐵路車輛車體的結構要求(第一部分：機車和客運車輛)[S].British:BSI，2010.

[4]標準動車組車體靜強度試驗報告[R].鐵道部產品質量監督檢驗中心車輛檢驗站，2015.

[5]高速動車組車輛端部線路測試報告[R].長春軌道客車股份有限公司，2014.

Structure Optimization of High-Speed EMU Aluminum Car- Body

DENG Hai,MIN Hanqin

(CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,Changchun 130062,China)

Component strength and end-wall resonance are studied for new generation high-speed EMU aluminum car-body.According to EN 12663- 2010 standard,the under-frame and door-frame structures are optimized by FEA technique and vehicle static strength test.Based on the end-wall modal analysis and related online test,the improved side-wall structure which has higher longitudinal bending vibration frequency,is determined.The improved car-body structure has been accepted in car-body design.

EMU;partial modal;static strength test;online test

1673- 9590(2016)03- 0015- 04

2015- 05- 13

鄧海(1973-),男，副教授,學士，主要從事鋁合金車體結構的研究E-mail:dengh300@163.com.

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