CRH3A型動車組車體強度優(yōu)化研究

李林　吳婷

摘 要：本文通過對CRH3A型動車組車體結(jié)構(gòu)及強度分析，給出了軌道車輛車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。研究發(fā)現(xiàn)：軌道車輛車體強度不足時，需要結(jié)合車體整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化；對于強度不足之處，可采用加強薄弱點結(jié)構(gòu)的方法進行優(yōu)化；但是由于受結(jié)構(gòu)等因素限制，采用加強薄弱點的方案未必都能完全改善整體強度；相反，采用減弱其相鄰處結(jié)構(gòu)，減少與相鄰處的強度差距，避免應(yīng)力集中，可以有效改善車體整體強度。

關(guān)鍵詞：軌道車輛；強度分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.241

0 引言

軌道車輛運輸運載量大、效率高，是我國主要交通運輸方式之一[1-4]。近年來，隨著科技的進步，軌道車輛車體設(shè)計理念不斷更新，軌道車輛車體質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)亦不斷提高。2013年，鐵路總公司在旅客界面、操作界面、運用界面、維護界面、制動系統(tǒng)、監(jiān)測保護等六個方面提出了動車組簡統(tǒng)化的要求。按照該要求，軌道車輛車體系統(tǒng)增設(shè)了行包間、BP救援轉(zhuǎn)換裝置、司機操控分析系統(tǒng)（EOAS）、受電弓視頻監(jiān)控裝置、車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。目前，傳統(tǒng)城際動車組（如CJ-1型動車）的車體結(jié)構(gòu)已不能滿足該“簡統(tǒng)化”要求，需要對原有車體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。因此，本文以CRH3A型動車組為例，對其車體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高車體強度，為我國軌道車輛新型車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 CRH3A型動車組車體結(jié)構(gòu)

CRH3A型動車組車體與CJ-I型動車組基本一致，均采用全焊接鋁結(jié)構(gòu)，車體采用通長的大型中空鋁型材焊接而成的筒狀結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、車頂、動力學(xué)前端結(jié)構(gòu)、端墻等組成。各大部件均由長大型材拼焊而成，焊接接頭采用對接和搭接的連接方式。車體強度滿足 EN 12663《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》PⅡ級：“固定編組”規(guī)定的要求。基于模塊化設(shè)計原則，車體分為兩種基本類型：

（1）端部車體（含動力學(xué)前端結(jié)構(gòu)）；（2）中間車體。

CRH3A型動車組優(yōu)化后與原CJ-1型動車組差異為：（1）根據(jù)車輛的統(tǒng)型要求，中間車體長度由24200mm加長至25000mm（端部車體加長至27600mm），高度不變；底架端部結(jié)構(gòu)參照時速350公里標(biāo)準(zhǔn)動車組結(jié)構(gòu)進行了適應(yīng)性調(diào)整。（2）為滿足與站臺間隙要求，車體斷面輪廓在窗腰帶下部，型材外輪廓尺寸局部調(diào)整，相應(yīng)大部件調(diào)整如下：1）側(cè)墻下部兩塊型材輪廓局部進行調(diào)整；2）底架為滿足與側(cè)墻的連接，與側(cè)墻接口位置局部調(diào)整。（3）端部車體由于車頭及司機室的變化，車體動力學(xué)前端加長約950mm。

2 CRH3A型動車組車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 端部車體強度分析

CRH3A優(yōu)化動車組中間車車體結(jié)構(gòu)與原CJ-1型動車車體結(jié)構(gòu)基本類似，其強度相差不大，故主要對端部車體強度進行分析。CRH3A優(yōu)化動車組端部車體結(jié)構(gòu)較為特殊，車體車身部分由CRH3型車平臺衍生而來，司機室車頭及空氣動力學(xué)前端由CRH5型車平臺衍生而來，兩者的配合可靠性需要通過計算來進一步校核。空氣動力學(xué)前端結(jié)構(gòu)破壞了車體的筒形結(jié)構(gòu)，且動力學(xué)前端的加長，使得非筒形結(jié)構(gòu)與筒形結(jié)構(gòu)的比例加大；為了彌補強度的不足，動力學(xué)前端在CRH5型車平臺的基礎(chǔ)上進行了加強，型材結(jié)構(gòu)均在CRH5型車基礎(chǔ)上加厚加強。另外，CRH3A優(yōu)化動車組端部車輛為具有牽引電機的動車，牽引電機通風(fēng)機冷卻風(fēng)道需要在車體地板上開通過孔，并去除大部分型材斜拉筋，導(dǎo)致車體開孔處局部強度及剛度減弱；仿真分析計算時，該處應(yīng)力明顯超過了材料的許用應(yīng)力，見圖2和圖3。

2.2 車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上仿真分析可知，CRH3A優(yōu)化動車組端部車體的窗角及門角等位置局部應(yīng)力超過標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力許用值，故需要對其局部結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。依據(jù)GB/T 7928-2003標(biāo)準(zhǔn)，CRH3A優(yōu)化動車組車體在垂向超員載荷工況作用下，車體底架邊梁中部靜撓度不應(yīng)超過17.8mm；根據(jù)TB1335-96標(biāo)準(zhǔn)，在垂向超員載荷工況作用下，車體相當(dāng)彎曲剛度不小于1.8X109 N?m2；根據(jù)TB1335-96標(biāo)準(zhǔn)，在扭轉(zhuǎn)載荷工況作用下，車體相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度不小于5.5X108 N?m2/rad。根據(jù)BS-EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，車體靜強度計算工況共22個，本文僅對優(yōu)化后車體強度變化較大的幾種載荷工況和位移約束描述如表1。

經(jīng)過初步仿真分析發(fā)現(xiàn)，窗角及門角等位置局部應(yīng)力超過標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力許用值，適當(dāng)優(yōu)化后即可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但動力學(xué)前端與牽引電機通風(fēng)機風(fēng)道連接的焊縫處，應(yīng)力值稍大，通過簡單優(yōu)化處理，無法滿足要求。經(jīng)過分析得應(yīng)力超標(biāo)的主要原因：通風(fēng)機風(fēng)道地板處，由于地板開孔較大，且地板型腔的斜筋去除較多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)較弱，而動力學(xué)前端結(jié)構(gòu)較強，在受車體縱向力作用下，兩者的連接處應(yīng)力突變明顯。

針對上述問題，首先，采取加強通風(fēng)機風(fēng)道地板處結(jié)構(gòu)強度的方法，使其與動力學(xué)前端結(jié)構(gòu)強度接近。將通風(fēng)機風(fēng)道側(cè)壁加厚，并在地板上通風(fēng)孔兩側(cè)貼加補強板，同時，將動力學(xué)前端的牽引梁延長，使其與通風(fēng)機風(fēng)道連接。經(jīng)過多次反復(fù)試驗，無論如何加強結(jié)構(gòu)，都無法徹底改善通風(fēng)機風(fēng)道地板處的薄弱狀態(tài)。在加強結(jié)構(gòu)的末端應(yīng)力值都無法滿足要求。由于通風(fēng)機風(fēng)道處結(jié)構(gòu)所限，單一采取加強薄弱點結(jié)構(gòu)的措施不能解決強度不足的問題。

其次，采用減弱動力學(xué)前端結(jié)構(gòu)的方法來優(yōu)化解決。通過反復(fù)試驗，為了避免應(yīng)力突變，設(shè)置了結(jié)構(gòu)強度減弱的漸變過程：（1）減短動力學(xué)前端的牽引梁來減弱結(jié)構(gòu)強度；（2）將連接板上的連接筋去除，同時在連接板上加工出臺階，使連接板末端約200mm長度厚度減薄，結(jié)構(gòu)再次減弱；（3）基于前兩步的基礎(chǔ)，在連接板末端中間開方孔，使連接板在外輪廓不變的前提下，有效寬度變小，結(jié)構(gòu)進一步減弱。

通過以上三步，優(yōu)化后的動力學(xué)前端幾何模型如圖4，雖然動力學(xué)前端結(jié)構(gòu)很強，但是已經(jīng)提前將其逐步減弱，到與通風(fēng)機風(fēng)道連接處時，已減弱到與風(fēng)道結(jié)構(gòu)相匹配的結(jié)構(gòu)強度。應(yīng)力值基本滿足許用要求，僅在接縫交角處稍大，通過增加倒圓角的處理方式，使應(yīng)力值均在許用安全系數(shù)之內(nèi)，成功的解決了應(yīng)力集中問題。

對于車體的剛度，由于動力學(xué)前端的加長，使的一位端改變了車體的筒形結(jié)構(gòu)，致使車體的扭轉(zhuǎn)剛度不足，通過在車內(nèi)一位端區(qū)域增加內(nèi)端墻的方式，改善了車體的扭轉(zhuǎn)剛度。

通過仿真分析計算，經(jīng)優(yōu)化后動力學(xué)前端與風(fēng)道連接處的強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。典型工況下得應(yīng)力見下圖5（圖中孔內(nèi)應(yīng)力值較大，屬非焊接區(qū)域）。

在AW3垂向載荷工況作用下，車體及底架邊梁垂向位移云圖見圖6。車體底架邊梁中央位置垂向靜撓度值為7.291mm，計算得端部車體相當(dāng)彎曲剛1.817*109 N?m2。在扭轉(zhuǎn)載荷工況作用下，計算得端部車體相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度5.5405*108 N?m2/rad，滿足評定標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

CRH3A優(yōu)化動車組真實車體靜強度試驗，已由第三方試驗檢驗完畢，結(jié)果滿足車體強度標(biāo)準(zhǔn)要求，且實測結(jié)果與仿真分析計算結(jié)果相近。

綜上可知，車體強度不足時，需要結(jié)合車體整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對于強度不足之處，通常采用的優(yōu)化方法是加強薄弱點結(jié)構(gòu)；但是由于受結(jié)構(gòu)等因素限制，采用加強薄弱點的方案未必都能完全改善整體強度；相反，采用減弱其相鄰處結(jié)構(gòu)，減少與相鄰處的強度差距，避免應(yīng)力集中，可以有效改善薄弱點的強度指數(shù)。進而優(yōu)化了車體的整體強度。

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