美標城市軌道交通車輛不銹鋼車體結構研發

劉玉民，劉曉芳，陸冠含

（中車長客軌道股份有限公司，吉林長春 130062）

0 前言

近年來，中國城市軌道交通車輛行業迅速發展，其行業技術水平也在不斷提高。同時隨著海外市場的不斷開拓，走出去、國際化已成為中國軌道交通車輛技術發展的必然趨勢。美國鐵路沒有國家技術標準，其技術標準均由相應的協會和技術機構制定發布實施。目前美國市場城軌車輛產品主要以美國機械工程師協會（ASME）發布的 ASME RT-2《重型軌道交通車輛結構設計的安全標準》為設計依據。其中 RT 指 RAIL TRANSIT，包括常規地鐵、輕型有軌電車，不包括貨運列車、高速列車等其他聯邦鐵路管理署（FRA）管轄的軌道車輛。該標準的最新版本于 2014年發布。采納該標準的協會主要有美國機械工程師協會（ASME）、美國公共運輸協會（APTA），以及電氣工程師協會（IEEE）。該標準與其他國家設計標準體系，如歐洲、日本等均存在較大的差異，美國列車的車體較寬，整車重量大，要求承載能力強，車體強度高，耐撞性能好。該標準中對于碰撞吸能管理（CEM）和端部碰撞立柱的載荷要求極為詳細和嚴苛，是城市軌道交通車輛不銹鋼車體結構研發過程中遇到的最大挑戰。

符合美國標準要求的城市軌道交通車輛不銹鋼車體結構應重點關注 2 個關鍵方面的研發設計，即車體結構的整體思路和端部吸能結構的重點研發。同時，車體結構需要通過靜態強度、疲勞和屈曲分析、列車級碰撞吸能分析，以及端部結構碰撞吸能試驗、車體結構靜態載荷強度試驗、碰撞立柱彈塑性試驗等。仿真分析以及強度試驗是驗證車體結構是否滿足標準及相關技術規范要求的有效手段。

1 車體結構的整體研發思路

車體結構的整體研發主要是基于對其相關技術規范及美國標準 ASME RT-2 2014 的深入理解完成的。由于沒有貫通道結構，通常車體結構由車頂結構、側墻結構、端部骨架結構以及底架結構等構成（圖1）。車體結構的研發是綜合考慮結構承載、碰撞吸能管理、各系統接口關系、材料的選擇等一系列復雜因素的實現過程。本文主要分以下4個方面來介紹車體結構的整體研發思路。

1.1 車體結構骨架的研發

車體結構的研發要滿足其結構性能以及安裝性能的要求，其承載結構是由梁、柱構成的骨架結構以及外板（蒙皮）構成的。骨架結構的設計要重點考慮美國標準中各個工況所承受載荷的大小，同時要經過有限元分析（FEA）結果來最終確定是否滿足要求。對于一些結構，美國標準及相關技術規范中有明確的剪切載荷要求，此時可以根據該載荷大小算出其斷面是否滿足設計要求。下面以中心碰撞立柱斷面選擇為例，其斷面見圖2。

圖1 車體結構組成

圖2 中心碰撞立柱斷面（單位：mm）

該中心碰撞立柱在縱向方向上要求能夠承受1 334 kN 的剪切載荷。該中心碰撞立柱為板材拼焊結構。所使用的材料如圖2所示，分別為符合美國材料標準要求的 ASTM A588（耐候鋼）和 ASTM A710（低合金高強度鋼），其抗拉強度分別為 485mPa 和 620mPa。其具體計算過程如下：

內筋縱向剪切面積為：（168mm×10mm）+（168mm×10mm）= 3 360mm2；

縱向剪切面積的側面積為：（168mm×12mm）+（168mm×12mm）= 4 032mm2。

每種材料的縱向抗剪強度都是按下列公式計算的：

對 ASTM A710：0.6×Fy×Ag= 0.6×620×3 360 ≈1 250 kN；

對ASTM A588：0.6×Fy×Ag= 0.6×485×4 032≈1 173 kN。

該中心碰撞立柱的縱向抗剪強度：1 250 + 1 173 = 2 423 kN。

縱向抗剪強度計算公式中：

Fy為材料的抗拉伸強度，Ag為剪切面積。

由于縱向剪切強度（2 423 kN）高于規范要求的載荷 1 334 kN，因此，該中心碰撞立柱的剪切載荷設計滿足要求。

1.2 車體結構材料的選擇

通常，車體結構使用的材料在技術規范中會有明確的范圍要求。以某項目為例，技術規范中要求：除了底架端部結構和碰撞立柱之外，車體結構應使用奧氏體不銹鋼。不銹鋼應為極低碳素鋼，碳含量小于等于 0.03%。所有能夠可見的不銹鋼結構表面應為刷面處理的 AISI 301LN（低碳氮）或 SUS301L（含氮）或 AISI 201L、201LN 或 SUS201（最高含碳 0.03%）。

端部底架和車體枕梁應采用低合金高強度鋼，低合金高強度鋼結構型材、板材和棒材應至少符合 ASTM A588 的要求（如適用）。鋼板也可符合 ASTM A710 的A 級的 1、2 或 3 類要求。

奧氏體不銹鋼、耐候鋼 A588 和低合金高強度鋼A710 已經被廣泛應用于城市軌道交通車輛結構設計中。根據不同部件的承載特點以及材料的力學性能確定，車頂結構、側墻結構和底架中部結構選用奧氏體不銹鋼材料；端部骨架的部分材料選用奧氏體不銹鋼材料；端部底架和端部骨架的碰撞短立柱的材料為耐候鋼A588 和低合金高強度鋼 A710。

奧氏體不銹鋼的力學性能見表1；奧氏體耐候鋼A588 和低合金高強度鋼 A710 的力學性能見表2。

1.3 承載零部件斷面的選擇

車體結構除了應具備保證車輛運行的靜態承載能力，還應在碰撞事故中為乘客提供最基本的完整性結構，確保乘客的生存空間。車輛的碰撞過程實際也是動態載荷的傳遞過程。在車體結構的設計過程中應首先考慮滿足車輛的碰撞要求，因其決定了車體的主要承載結構形式和整個車體結構設計的大方向。為滿足車體結構的承載要求和碰撞要求，車頂邊梁、門口立柱、底架邊梁等長大型材結構的斷面設計是比較關鍵的。通常底架邊梁須具有較高的強度和剛度，以承受和保證動態載荷的傳遞。在邊梁結構設計中，我們采用了雙層邊梁設計，外層邊梁與內層邊梁均采用槽型結構，以加強邊梁在碰撞過程中的承載能力，從而保證 2 列 10 輛編組列車在 40 km/h 速度下碰撞時滿足所有合同及標準中規定的要求。

表1 奧氏體不銹鋼的力學性能

表2 耐候鋼 A588 和低合金高強度鋼 A710 的力學性能

1.4 各部件的連接方式選擇

車體結構各部件間的接口設計以及與其他系統的接口設計在整個結構設計中尤為重要。車體結構的各大部件間均采用焊接的連接方式，且均執行美國的焊接標準要求。車體結構的焊接方式主要有弧焊、點焊、縫焊、激光焊以及電弧點焊等。

與車體結構的主要接口系統有車鉤、轉向架、空調、車下設備等。以轉向架安裝接口結構為例，它是車體結構設計中重要的組成部分，該部分既要滿足結構靜態強度要求，又要保證列車碰撞過程中結構不會發生永久變形。底架枕梁組成為車體與轉向架的接口結構，承受較大的垂向載荷及縱向載荷，更要滿足在 667 kN（相當于 8.5g）的載荷作用下車體與轉向架接口結構不發生斷裂。該要求（美國標準 ASME RT-2 2014 中要求）也體現了車體靜態強度設計與碰撞吸能安全性設計之間相輔相成的關系。列車碰撞過程中要求車輛的平均減速度小于等于 7.5g，如果車輛發生最大減速度的情況，則車體與轉向架的接口應能最大限度地保證列車上乘客的生命安全。

2 端部吸能結構的重點研發

2.1 端部吸能結構的研發

車體結構參與車輛吸能，應對端部結構進行重點設計。車輛端部底架結構的設計理念主要通過 2 種方式來實現：①碰撞變形能量吸收區與車體結構完全集成在一起，即結構吸能方式；②吸能元件構成的碰撞能量變形區與防爬器結構集成在一起，形成 1 個模塊化結構。該項目技術規范中對端部能量吸收要求較高，不小于 1.22mJ，通過綜合考慮分析，端部吸能結構采用上述第 1 種方式，即結構吸能的方式。

結構吸能有多種實現形式，如采用有多個吸能孔的縱梁、薄壁筒狀結構或以一定順序排列帶誘導槽的縱梁等作為吸能結構。該車體結構遵循美國項目技術規范要求，使用的材料為不銹鋼材料，符合美國材料標準要求。采用縱向通長的 4 個長方形管狀結構，內部均勻放置隔板，使得長方形管狀結構能夠在碰撞時縱向有序變形。同時該結構在碰撞時垂向方向具有一定的穩定性。吸能結構放置在防爬器結構后方、端梁前方，這樣既能保證將端部碰撞變形能量吸收區結構分隔開來，又能滿足端部結構承受和傳遞靜態載荷。防爬器結構及端梁結構使用耐候鋼材料。通過靜態強度和碰撞吸能的綜合仿真分析，調整長方形管狀結構、隔板的板厚和隔板的間隔，即調整吸能結構所受的平衡載荷 F 和壓潰距離 S（吸收能量 E = F×S），使得吸能結構的壓潰變形按照一定的次序穩步進行，滿足列車在高速運行狀態下碰撞時吸收最大程度的能量，保護乘客的生命安全。圖3展示的是在設計過程中 3 種均滿足要求的端部吸能結構方案。第 3 種是最終選用的結構，并依據此結構形式成功進行了端部吸能結構撞擊剛性墻試驗。

圖3 端部吸能結構

2.2 端部吸能結構的設計難點

車輛端部結構設計的難點來自必須同時滿足多個、并且經常是相互矛盾的要求，因為端部碰撞吸能結構不僅要承受碰撞沖擊時的動態載荷，還要傳遞靜態載荷。例如：作用在防爬器上的縱向及垂向載荷、作用在碰撞立柱上的彈性載荷等。靜態強度設計通常要求端部結構能夠承受較高的載荷，滿足列車正常的運行并在碰撞時提供保障乘客生命安全的空間。但是碰撞安全性設計要求具有一個可以變形的區域，能夠最大限度地吸收碰撞產生的能量及降低減速度水平。碰撞吸能管理本身的設計與評估已經非常復雜，但是為了平衡靜態強度及碰撞安全性之間的矛盾要求，通常車輛端部的吸能結構設計需要反復進行直至滿足要求。

吸能元件構成的碰撞能量變形區與防爬器結構集成在一起的結構形式可較少受到來自車體結構靜強度設計要求的限制，避免車體靜強度設計要求與碰撞安全性設計要求的相互沖突。與結構吸能設計方案比較，通常情況下可以獲得較低的碰撞擠壓力及減速度水平。附加組裝到車輛端部結構上的能量吸收裝置容易修理與更換。

2.3 端部吸能結構的分析和試驗驗證

2.3.1 端部吸能結構的碰撞分析

從端部吸能模塊配重撞擊剛性墻的形變（圖4）可以看出吸能壓潰箱依次穩定有序的變形。從力值-位移-能量的曲線關系中可以看出該端部吸能結構吸收的能量數值大于 1.25mJ，碰撞過程中產生的動態平均載荷不大于 4 448 kN。實曲線成直線上升趨勢，表明壓潰箱處于持續壓潰過程中。圖5左側為端部吸能結構配重臺車撞擊剛性墻的模擬分析，右側為單節車輛撞擊剛性墻的模擬分析。二者的力值-位移-能量的曲線相比較趨勢一致，吻合度較高。但左側曲線在起始位置出現了一個較大的峰值，是由于配重的臺車剛性較大導致出現的短暫性峰值。

如圖6所示，車端結構局部塑性應變值大于 0.2%，但是小于材料的破壞臨界值，車端結構產生破壞的風險非常低。

圖4 端部吸能結構的模擬分析圖

2.3.2 端部吸能結構撞擊剛性墻試驗驗證

端部吸能結構的碰撞試驗是非常有必要的，并且是非常關鍵的一個步驟，用以驗證端部吸能結構的可行性、可靠性及碰撞計算分析的準確性。對端部吸能結構進行設計時，選擇不同的材料及相同材料的不同板厚對于端部吸能結構碰撞的計算分析結果都會產生較大的影響。圖7展示了端部吸能結構的試驗碰撞結果，無論是碰撞過程中吸收的能量、載荷大小、壓潰的行程以及碰撞變形的模式都與仿真分析的結果基本一致。該美國技術規范中要求，仿真分析與碰撞試驗的結果偏差值需在10% 以內，這對仿真分析及結構設計本身都提出了較高的要求。吸能結構經過不斷的優化和分析，以及對試驗進行充分的準備，最終的結果與技術規范的要求完全一致，即：能量吸收大于 1.22mJ；平均動態載荷小于4 448 kN；試驗分析與沖擊試驗的結果符合性較好，分析與試驗的偏離（能量、載荷、壓潰行程）均在 10% 以內；列車級碰撞時端部結構具有足夠的能量吸收能力。

圖5 撞擊剛性墻的模擬分析圖

圖6 單車撞擊剛性墻的塑性變形圖

圖7 端部吸能結構的試驗碰撞結果

3 車體結構靜態強度分析及列車級碰撞吸能分析

3.1 車體結構靜態強度分析

以靜態強度分析為例，將車體結構靜態載荷工況分為：端梁壓縮強度，車體垂向載荷，車鉤壓縮強度，防爬器強度，碰撞立柱（中心/側向/2 級）強度，架車和吊車強度，復合載荷強度，碰撞立柱彈塑性載荷，轉向架接口處強度，腰帶和邊梁處載荷，結構架強度，地板變形要求，疲勞強度，車頂強度，設備安裝座強度，屈曲強度，自然頻率。

該技術規范中要求最大縱向壓縮載荷為 1 424 kN，防爬器結構承受的最大縱向載荷為 1 224 kN，承受最大垂向載荷為 334 kN，且評價標準也十分苛刻。在結構的研發設計過程中應著重對端部骨架結構、端部吸能結構、枕梁組成結構、門口結構、窗口結構進行分析，研究車體結構受力特點并進行改進。

車體靜態載荷分析過程中最大的難點應為防爬器與壓潰箱結構連接處的分析以及端部骨架組成的分析。三者體現的正是靜態強度分析計算與碰撞吸能分析之間的矛盾關系。靜強度設計通常導致非常剛性的車體端部結構，但是碰撞安全性設計要求具有一個可以變形的區域，并能夠恰當地控制能量吸收的過程及碰撞沖擊力的水平。碰撞變形能量吸收區本身的設計與評估已經非常復雜，但是為了兼顧靜強度及碰撞安全性 2 個方面的要求，反復進行車輛端部的結構設計，最終滿足了技術規范的要求。圖8為碰撞立柱彈性載荷工況示意圖。

3.2 車體結構列車級碰撞吸能分析

為滿足列車與列車碰撞的安全性能要求，在對端部吸能結構進行重點設計的同時，也要對客室區域結構進行重點研發設計。車體結構設計的難點主要為車輛的碰撞吸能管理及整體的安全性能要求，對于端部吸能結構、底架邊梁及端部底架結構等關鍵性承載結構的設計，應采用重點及逐個擊破的原則。在結構的方案設計過程中，首先應重點考慮端部的吸能結構，既要滿足碰撞的安全性設計要求，又要滿足端部結構的靜態強度要求；其次重點考慮客室結構部分，如底架邊梁、中梁、端部底架結構等；最后應綜合考慮設備等的安裝接口要求。該車輛最大碰撞速度為 40 km/h，且為 10 輛編組的列車與 10 輛編組的列車碰撞，同時須滿足 60 多個靜態強度工況要求，以及疲勞強度要求和屈曲強度要求，難度系數非常大。正是基于以上的原則和設計方法，最終成功研發了符合美國標準 ASME RT-2 2014 的車體結構。

圖9 展示了 10 輛編組列車碰撞時第 1 個主動車的塑性變形圖。從圖9中可以看出車端結構局部塑性應變值大于 0.2%，但是小于材料的破壞臨界值，車端結構產生破壞的風險非常低，兩枕梁之間的客室部分無明顯的變形。

圖8 碰撞立柱彈性載荷工況示意圖

圖9 10 輛編組列車碰撞時第 1 主動車的塑性變形圖

4 車體結構靜態強度試驗驗證

該項目共進行了 8 個工況的靜態載荷試驗，試驗前完成了所有載荷傳感器以及設備的標定工作。該項目靜態載荷試驗包括：垂向載荷試驗（AW3 工況），車鉤壓縮載荷試驗（AW0 工況），端梁壓縮載荷試驗（AW0 工況），初級中心碰撞立柱彈性載荷試驗（AW0 工況），初級側向碰撞立柱彈性載荷試驗（AW0 工況），對角架車試驗（AW0 工況），初級側向碰撞立柱橫向載荷試驗（AW0 工況），防爬器復合載荷工況。

靜態載荷試驗的結果與相應的仿真分析結果均顯示所有點的應力值在要求的強度極限范圍內，這充分證明了車體結構的設計是滿足要求的。試驗完成后，對所有的焊縫進行了檢查，沒有發現焊縫的裂紋以及車體結構的任何變形。所有載荷試驗的結果與對應的仿真分析結果的一致性非常好，完全滿足設計要求。

5 結束語

美國標準 ASME RT-2 2014 及技術規范對于車體結構的要求細致入微，對碰撞試驗要求也十分苛刻。本文重點從車體結構的整體思路和端部吸能結構的研發、仿真分析以及試驗驗證等方面介紹了城市軌道交通車輛不銹鋼車體結構研發方法及思路，希望對后續美國城鐵項目車體結構的設計研發起到一定的借鑒和指導意義。

[1]GB50517-2013 地鐵設計規范[S].

[2]GB/T7928-2003 地鐵車輛通用技術條件[S].

[3]楊延龍. 西安地鐵一號線車體鋼結構設計[J]. 科技視界，2015（5）：85-86.

[4]汪學嶺，岳譯新. 鄭州地鐵1號線車體底架設計[J]. 技術與市場，2012，19（4）：94-96.

[5]劉軍，周傳誼. 天津地鐵2號線車輛車體鋼結構設計[J]. 城市軌道交通研究，2014（1）：51-55.

[6]Markus Seitzberger. 城軌車輛碰撞安全性的現代設計理念[J]. 崔培興，譯. 現代城市軌道交通，2005（1）：1-5.

[7]王文斌，趙洪倫，劉學軍. 軌道車輛乘員二次碰撞傷害的研究[J]. 城市軌道交通研究，2007（9）：23-27.

[8]Alastair Erskine. 軌道車輛結構防碰撞性文獻綜述[J].閻鋒，李東鋒，譯. 國外鐵道車輛，2014（3）：1-8.

[9]劉艷文. 軌道客車碰撞被動安全性研究[D]. 四川成都：西南交通大學，2013.

[10]賈宇. 機車車體耐碰撞結構設計與碰撞仿真研究[D].四川成都：西南交通大學，2005.

[11]甘寧. 基于耐撞性和剛度車輛端部底架的拓撲概念設計[D]. 湖南長沙：中南大學，2014.

[12]Wilfried Wolter. 鐵道車輛的防碰撞要求、設計原理和初步結果[J]. 閻鋒，譯. 國外鐵道車輛，2004（2）：23-30.

[13]謝素超. 鐵道車輛結構耐撞性影響因素及優化研究[D]. 湖南長沙：中南大學，2012.