高速動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張碩韶 ，王建功 ，白彥超，閻 鋒

（1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035；2.青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

0 前言

按照總體技術(shù)條件要求，以動(dòng)車組動(dòng)態(tài)包絡(luò)線為約束條件，進(jìn)行車體斷面設(shè)計(jì)，根據(jù)選定的頭車氣動(dòng)外形，按自頂向下的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，在滿足車體設(shè)計(jì)概念要求的前提下，完成整車的方案設(shè)計(jì)和工程化設(shè)計(jì)。鋁合金車體按照EN 15085焊接標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，母材選用符合DIN 5513[1]標(biāo)準(zhǔn)的5000系和6000系鋁合金，焊接材料按ISO 18273[2]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。車體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)適合成熟的制造工藝，其靜強(qiáng)度和固結(jié)強(qiáng)度滿足EN 12663：2000《鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》[3]的要求。

1 動(dòng)車組主要技術(shù)參數(shù)

按照總體技術(shù)條件要求，高速動(dòng)車組采取8輛編組，列車輪周牽引功率為16 400 kW，持續(xù)運(yùn)營速度為350 km/h，最高試驗(yàn)速度超過400 km/h。車體為大型中空鋁型材焊接而成的筒型整體承載結(jié)構(gòu)，具有足夠的剛度，為了降低車輛運(yùn)行的空氣阻力，設(shè)計(jì)了新的動(dòng)車組氣動(dòng)外形，優(yōu)化了受電弓和MUB的平頂結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為安裝設(shè)備提供合適的接口，簡化組裝制造工藝，優(yōu)化后的動(dòng)車組主要技術(shù)參數(shù)見表1，動(dòng)車組編組示意如圖1所示。

表1 動(dòng)車組主要技術(shù)參數(shù)

圖1 動(dòng)車組編組示意

2 鋁合金車體母材和焊接材料的選擇

2.1 鋁合金車體母材

為滿足車體鋁合金強(qiáng)韌性、焊接性、加工性和三維彎曲成形等綜合性能的要求，選用符合DIN 5513標(biāo)準(zhǔn)的5000系和6000系鋁合金，根據(jù)車體各部位對鋁合金的特殊要求，對5000系和6000系鋁合金的具體牌號和熱處理狀態(tài)進(jìn)行了細(xì)分。

EN AW-5083擁有良好的焊接性能和抗腐蝕性。它在H111的狀態(tài)下，可塑性很好，但擠壓加工性較差，難以得到薄壁及中空型材。司機(jī)室前窗框周圍的三維板材和底架前端的連接板選用EN AW-5083鋁合金。

EN AW-6005A合金既具有中等強(qiáng)度，相比其他如EN AW-6082或EN AW-6061的合金，它擠壓出形狀更為復(fù)雜的產(chǎn)品，特別是對于薄壁空心型材更為明顯。車體主體斷面的邊梁、地板、側(cè)墻、車頂各通長的型材都是選用T6狀態(tài)下的EN AW-6005A鋁合金型材。司機(jī)室各彎梁、縱向梁和彎曲立柱等各骨架件，都是選用T4狀態(tài)下的EN AW-6005A合金型材先進(jìn)行三維彎曲，再經(jīng)熱處理到T6狀態(tài)。

EN AW-6008是在EN AW-6005A的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的合金，這種合金的產(chǎn)品具有均勻一致的再結(jié)晶晶粒結(jié)構(gòu)，能夠擠壓出復(fù)雜斷面的型材，在厚度小于等于8 mm時(shí)具有中等強(qiáng)度，并且可焊性良好，適合TIG和MIG焊。司機(jī)室?guī)Ъ訌?qiáng)筋的各側(cè)墻板、車頂板等件，都是選用T4狀態(tài)下的EN AW-6008合金型材先進(jìn)行三維彎曲，再經(jīng)熱處理到T6狀態(tài)。

EN AW-6082是一種熱處理后具備高強(qiáng)度的鋁合金，適用做空心型材和板材，同時(shí)具有較好的耐腐蝕性，對于MIG和TIG有很好的焊接性，在T4狀態(tài)時(shí)模鍛性很好，并且其機(jī)械性能良好。底架前端的下蓋板就是選用T6狀態(tài)下的EN AW-6082鋁板材，司機(jī)室的防撞梁選用的是T6狀態(tài)下的EN AW-6082鋁型材。

車體選用的材料如表2所示。

2.2 焊接材料

鋁合金車體是由鋁合金板材和型材拼焊的全焊接結(jié)構(gòu)，由于鋁合金的特殊屬性，它的焊接接頭有明顯的弱化傾向，一般來講，強(qiáng)化鋁合金的焊接接頭與母材相比強(qiáng)度會(huì)下降30%以上。試驗(yàn)表明，6061-T6的臨界失效面抗拉強(qiáng)度約為母材初始值的0.59倍[4]，因此，選擇匹配的焊接材料來保證焊接接頭質(zhì)量尤為重要。

焊接材料（填充金屬）選擇需考慮以下因素：

（1）與母材的化學(xué)成分相兼容，例如焊接裂紋傾向；（2）接頭力學(xué)性能要求（整體考慮焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬性能）；（3）焊接部件或焊接構(gòu)件的后續(xù)處理，例如表面處理、陽極氧化和裝飾拋光；（4）對接頭的耐腐蝕性要求；（5）最佳焊接性。

考慮到以上因素，為保證焊接接頭的力學(xué)性能，在ISO 18273標(biāo)準(zhǔn)中選用了匹配的焊接材料，牌號為Al 5087，化學(xué)名稱為AlMg4.5MnZr。經(jīng)焊接工藝評定驗(yàn)證，此焊接材料完全符合設(shè)計(jì)要求。

3 鋁合金車體結(jié)構(gòu)

3.1 車體總成

鋁合金車體由車體全長的大型中空鋁合金型材組焊而成，為筒型整體承載結(jié)構(gòu)。車體承載結(jié)構(gòu)是由底架、側(cè)墻、車頂、端墻以及司機(jī)室組成為一個(gè)整體，這樣使得車體具有良好的防振、隔音效果。使用的材料為可焊接鋁合金，確保了車輛良好的防腐性。車體的側(cè)墻、底架、車頂部位的型材連接方式基本采用插接和搭接型式，車體斷面和結(jié)構(gòu)分解如圖2、圖3所示。

表2 車體選用的材料及其性能

圖2 車體斷面

圖3 車體結(jié)構(gòu)分解

車體組成中側(cè)墻、車頂、底架形成的筒形結(jié)構(gòu)與端墻、司機(jī)室靠彎曲的連接板焊接組成，端墻與側(cè)墻、端墻與車頂?shù)倪B接由連接板分別與各大部件焊接完成，這種連接方式可以使側(cè)墻、車頂?shù)拈L度公差不影響整個(gè)車體組成，即使側(cè)墻、車頂在長度方向上與底架有一定的尺寸差，也可以用修磨連接板的方式解決，連接板的寬度約為40 mm。連接及焊接型式如圖4所示。

圖4 司機(jī)室與車頂?shù)倪B接型式

3.2 底架

底架主要由兩大部分組成：底架前端和地板，邊梁部分。邊梁縱向貫通，底架前端和地板均與邊梁焊接，底架前端和地板通過連接梁、連接板相連，連接梁為型材，連接板可以調(diào)整寬度，保證車體長度。

3.3 車頂

車頂由高頂、平頂和端頂三部分焊接而成，高頂由五塊大型中空鋁型材拼焊而成，平頂型材整體的截面高度比較小，并且平頂輪廓不是便于承載的拱形結(jié)構(gòu)，所以型材上下面及中間筋的材料厚度均比其他部位厚很多。

3.4 側(cè)墻

側(cè)墻由五種型材拼焊而成，側(cè)墻窗口上部和下部為連續(xù)通長的中空擠壓型材，與單個(gè)的窗間板焊接而成，經(jīng)調(diào)修達(dá)到要求后開銑窗口。

3.5 司機(jī)室

司機(jī)室由六部分組成，即司機(jī)室前端、司機(jī)室后框、司機(jī)室左側(cè)墻、司機(jī)室右側(cè)墻、司機(jī)室車頂和司機(jī)室前窗玻璃安裝框（見圖5）。司機(jī)室采用較大截面的有壓筋的墻頂板與梁柱組焊而成，梁柱多為開口型材，組焊后司機(jī)室的變形小，曲面過渡光滑，外表美觀。因梁柱多在同一截面，使得司機(jī)室的抗扭、抗彎能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。

圖5 頭車司機(jī)室的結(jié)構(gòu)分解

4 車體靜強(qiáng)度計(jì)算和方案改進(jìn)

4.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

依據(jù)EN12663：2000《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》，對高速列車頭車車體靜強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，計(jì)算的載荷工況見表3。車體有限元模型如圖6所示，基本采用殼單元shell63來建立，對于較為復(fù)雜的不規(guī)則模型采用三維實(shí)體單元solid45進(jìn)行離散。

在垂向載荷、縱向拉壓、車端壓縮、扭轉(zhuǎn)載荷、抬車及氣密載荷等各載荷工況下，分別對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元計(jì)算，圖7為第一種工況下的車體應(yīng)力云圖。

4.2 車體方案改進(jìn)

計(jì)算結(jié)果表明，第三種工況下側(cè)門口下門角內(nèi)側(cè)應(yīng)力值為138MPa，大于許用應(yīng)力值115 MPa（見圖8）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為降低下門角的計(jì)算應(yīng)力值，對底架邊梁型材的兩處壁厚進(jìn)行了加厚處理。為減少修改工作量，加厚時(shí)沒有改變型材的外形輪廓，只修改壁厚，將型材的內(nèi)側(cè)壁厚由6 mm改為7.5 mm，斜筋壁厚由4 mm改為5.5 mm，邊梁下面C型槽壁厚由4 mm改為5 mm，方案如圖9所示。

表3 動(dòng)車組主要技術(shù)參數(shù)

圖6 車體整體有限元模型

圖7 車體應(yīng)力云圖

圖8 下門角應(yīng)力超標(biāo)位置

圖9 底架邊梁改進(jìn)方案

計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)后下門角在第三種工況下計(jì)算應(yīng)力值為114 MPa，小于許用應(yīng)力值115 MPa（見圖10），整個(gè)車體母材和焊縫的計(jì)算應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，該車體結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度要求。

圖10 下門角應(yīng)力云圖

5 車體工藝及靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 車體工藝驗(yàn)證

為制造鋁合金車體，共制作27套焊接工裝、12套加工工裝和6套調(diào)修工裝，在車體總組成工序開發(fā)了低平頂車體組成制造胎（見圖11），繪制了對應(yīng)的工藝流程圖，制定了相應(yīng)的工藝方案和檢測方案。經(jīng)檢測，鋁合金頭車車體符合設(shè)計(jì)要求（見圖12）。

圖11 車體組成制造胎

圖12 頭車車體

在司機(jī)室制作過程中，共制作二維和三維彎曲模具35套，制作小型焊接工裝5套，大型焊接工裝6套。多種彎曲模具的使用保證了單件的尺寸精度，目前司機(jī)室三維彎曲件的制作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。多套剛度足夠并運(yùn)用反變形技術(shù)的焊接工裝減少了司機(jī)室各部件和整個(gè)司機(jī)室的焊接變形，司機(jī)室總成焊接工裝如圖13所示。

圖13 司機(jī)室總成焊接工裝

5.2 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

按照表3所列的載荷工況，對樣車進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)在專用的靜強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，能模擬各個(gè)工況載荷的施加。圖14為一位端地板上方150 mm高度、400 kN縱向壓縮載荷試驗(yàn)照片，圖15為氣密強(qiáng)度試驗(yàn)照片。

圖14 一位端地板上方150 mm、高度400 k N縱向壓縮載荷試驗(yàn)

圖15 氣密強(qiáng)度試驗(yàn)照片

計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較高的位置在底架前端橫梁變截面和側(cè)門口下門角處，因此，在試驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注了這些區(qū)域。圖16為底架前端橫梁變截面處應(yīng)變片位置圖（E33），試驗(yàn)結(jié)果表明第二種工況下此處應(yīng)力值為182.7 MPa，小于許用應(yīng)力值200 MPa，圖17為一位端側(cè)門口下門角處應(yīng)變片位置圖（E62），試驗(yàn)結(jié)果表明第三種工況下此處應(yīng)力值為78.8 MPa，小于許用應(yīng)力值115 MPa，同時(shí)也比計(jì)算應(yīng)力值114 MPa小34.2 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，頭車車體各測點(diǎn)應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，其強(qiáng)度滿足EN12663：2000《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》的要求。

6 結(jié)論

經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)，證明新設(shè)計(jì)的整體承載結(jié)構(gòu)車體的強(qiáng)度滿足EN12663：2000《鐵路應(yīng)用——軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和《200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》的要求，同時(shí)，其焊接結(jié)構(gòu)的工藝性也得到了相應(yīng)的驗(yàn)證。

圖16 底架前端橫梁變截面處應(yīng)變片位置

圖17 側(cè)門口下門角處應(yīng)變片位置

[1]DIN 5513：2007.軌道車輛材料—鋁和鋁合金[S].

[2]ISO 18273：2004.焊接消耗品—鋁和鋁合金焊接用焊絲和焊條[S].

[3]200 km/h及以上速度級鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定[S].

[4]李靜斌.鋁合金焊接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40（2）：25-32.