某軌道交通車輛鋁合金車頭設計研究

敬敏

（上海軌道交通設備發展有限公司，上海 200245）

1 設計背景

軌道交通已經成為各大城市緩解交通壓力舉措的首選，軌道交通作為一種高效、節能、環保的交通工具，備受各大城市的青睞，其運行速度也在逐步提高。很多城市將軌道車輛的外形設計作為自己的城市名片，因此流線型車頭成為軌道車輛的首選，隨著車輛運行速度的不斷提高，流線型車頭的氣動性能明顯優于鈍體型車。車頭結構主要包含車頭外罩和車頭骨架，作為車輛的控制中心，若發生事故，車頭結構將受到沖擊載荷，車頭結構會發生變形，但依據設計標準需滿足對司機人身安全起到有效的保護作用，同時車頭結構需滿足司機室其他設備部件的安裝需求。當車頭結構滿足強度和剛度等性能指標時，通常會綜合考慮材料、結構與強度、剛度等性能參數之間的關系，以輕量化為目標對車頭結構進行優化設計。國內的車頭外罩大量采用復合材料或者金屬材料，復合材料是由2種或2種以上的異質、異性、異形的材料復合而成，包含增強體和基體2種組分，目前多數車頭外罩采用的是玻璃纖維增強樹脂材料，主要采用手工糊制或真空成型2種方法，可實現車頭外罩降低成本等。金屬材料主要包括鋁合金以及不銹鋼，采用焊接工藝拼接而成，不銹鋼車頭主要用在車頭曲面造型簡單的車輛上，鋁合金車頭主要用在車頭曲面造型復雜的車輛上。

2 鋁合金車頭結構設計

鋁合金車頭作為車體重要組成部位，需滿足BS EN 12663-1：2010《鐵路應用-鐵道車輛的車體結構要求-第1 部分：機車和客車（及貨車的替換法）》標準的強度要求，還為司機室前擋風玻璃和內部裝飾件、司機室門系統、司機室電氣設備部件及電纜等提供安裝接口。

2.1 車頭外罩設計

車頭外罩作為整輛車最具代表性的部分，車頭造型要求具備優良的流線型以及美觀性，因此車頭外罩外形曲面造型較為復雜，本次設計采用CATIA軟件進行曲面造型設計和工程實體化設計。車頭外罩采用滿足BS EN 573-3：2019《鋁和鋁合金-化學成分和鍛制產品的形狀-第3部分：化學成分》標準的5083系列鋁質材料，此種系列材料化學成分見表1，其機械性能滿足BS EN 485-2標準的要求，熱處理按BS EN 515標準中H111物理狀態（回火級別）的要求進行。車頭外罩均采用4mm厚度的5083-H111鋁質板材，其相關性能參數見表2。5083系列鋁材被廣泛應用在鋁合金軌道車輛的頭罩和墻板等結構設計中。車頭外罩設計受曲面成型模具當量尺寸的限制，車頭外罩劃分為5個設計模塊，整體結構如圖1所示。5個模塊全部采用國內先進的軌道交通用超塑熱成形技術制造成曲面模塊。據相關研究表明，超塑成形工藝可以顯著提高材料變形能力，降低成形壓力，實現復雜形狀零件的成形，使用超塑成形工藝可以制造出輕質、高強、外形美觀、綠色環保的軌道交通用鋁合金構件。通過對5083系列鋁材的微觀組織進行觀測和檢測，以及材料在超塑成形后的微觀組織變化等，當溫度控制在460～480℃，保壓氣壓在1.6～2.0MPa，最有利于5083系列鋁材的超塑成形。

圖1 車頭外罩整體結構

表1 5083系列鋁合金材質化學成分(%)

表2 5083鋁合金材質主要機械性能

再利用工裝設備將五模塊拼焊成整個車頭外罩，焊接形式采用有反向背板的V形接頭對接焊縫，所有焊接要求滿足EN 15085：2007《鐵路應用-鐵道車輛及部件的焊接》標準。

2.2 車頭骨架設計

車頭骨架作為車頭結構的承載部位，其設計強度需滿足BS EN 12663-1標準的要求。車頭骨架的主體承載結構采用滿足BS EN 573-3標準的6005A系列和6082系列鋁材，此兩種系列材料化學成分見表3，其機械性能均滿足BS EN 1999-1-1標準中T6物理狀態（回火級別）的要求，相關的具體參數見表4，6005A系列和6082系列鋁材被廣泛應用在鋁合金軌道車輛的底架、側墻、車頂和車頭骨架等結構設計中。同時車頭骨架需要為司機室其他部件提供安裝接口要求，以焊接小件的形式體現，焊接小件采用5083系列鋁材。

表3 6005A系列和6082系列鋁合金材質化學成分(%)

表4 6005A系列和6082系列鋁合金材質主要機械性能

車頭骨架采用4～10mm厚度的6005A系列空心型材和6082系列鋁板拼焊而成，骨架小件采用3～6mm厚度的5083系列鋁板，車頭骨架的整體結構如圖2所示。骨架焊接形式采用角焊縫、雙角焊縫和V形接頭對接焊縫，同時所有的焊接要求滿足EN 15085標準。

圖2 車頭骨架整體結構

2.3 鋁合金車頭與車體裝配設計

鋁合金車頭作為車體組成的一部分，最終通過焊接方式與底架、側墻、車頂結構合成為整個車體結構。鋁合金車頭的外罩與骨架采用“井”字形排列的段焊角焊縫焊接形式，如圖3所示。鋁合金車頭與車體底架、車頂及側墻各部位采用與車頭骨架相同焊接形式，焊接完成后的車體結構如圖4所示。

圖3 車頭外罩與骨架焊接示意

圖4 車輛車體結構

3 鋁合金車頭靜強度計算

3.1 靜強度計算條件

根據整個車體的三維實體模型，利用ANSYS軟件，基于BS EN 12663-1標準，對整個車體進行了靜強度計算，本文僅針對車頭部分的靜強度計算結果進行分析。根據計算要求，主要的載荷工況見表5，邊界條件如圖5所示。要求在所有計算工況作用下，車頭各部件的應力均不得大于部件所用材料的許用應力，部件材料參數見表6。

圖5 邊界條件

表5 主要載荷工況

表6 車頭部件材料性能參數

3.2 靜強度計算結果

各計算工況作用下，車頭的應力云圖如圖6和圖7所示（圖中應力單位為MPa），車頭的最大應力情況如下：

圖6 工況1應力云圖

圖7 工況2應力云圖

計算工況1：最大應為113.560MPa，發生在車頭骨架上門角處。

計算工況2：最大應為130.946MPa，發生在車頭骨架上門角處。

根據有限元分析計算，在靜強度的計算工況作用下，車頭結算結果詳見表7，表中安全系數為許用應力與計算應力的比值。由表7可知，車頭部件的安全系數均大于1.0，靜強度滿足標準要求。

表7 車頭計算結果匯總

4 結語

根據結構設計和有限元分析結論，本車頭設計完全滿足軌道車輛的設計要求，為駕駛員提供安全的駕駛空間。鋁合金車頭采用4mm厚度金屬材料，相比于采用6～8mm厚度玻璃鋼等非金屬材料的車頭，車頭重量降低約5%，實現設計輕量化要求，且在后期比玻璃鋼材料更易于回收處理。本鋁合金車頭設計可為后續平臺項目的車頭結構設計提供參考依據。