不銹鋼點(diǎn)焊車體結(jié)構(gòu)的耐撞性研究

謝素明 ，張霖 ，劉晉

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.中國北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，河北 唐山 063035)

不銹鋼點(diǎn)焊車體結(jié)構(gòu)的耐撞性研究

謝素明1，張霖1，劉晉2

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.中國北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，河北 唐山 063035)

某不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車車體正面碰撞時(shí)，因其吸能結(jié)構(gòu)吸能效果不足，致使客室區(qū)域出現(xiàn)皺褶變形情況.通過研究車體吸能結(jié)構(gòu)的材料特性、壁厚、預(yù)變形以及結(jié)構(gòu)形狀對其吸能特性的影響，篩選出最優(yōu)車體吸能結(jié)構(gòu).車體改進(jìn)后前端吸能結(jié)構(gòu)吸能占車體總吸能的93.5%，較原方案提高28.2%.

點(diǎn)焊車；耐撞性；吸能結(jié)構(gòu)

0 引言

不銹鋼點(diǎn)焊車因其具有高耐腐蝕性、車體自重輕、維修費(fèi)用以及運(yùn)營成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為國內(nèi)外軌道交通輕量化車體的主流.不銹鋼車體通常采用復(fù)合式底架承載結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式使得車體縱向剛度的突變不可避免，致使車體正面碰撞時(shí)客室區(qū)域易發(fā)生塑性變形，所以，點(diǎn)焊車體吸能結(jié)構(gòu)的吸能特性設(shè)計(jì)極為重要.在不銹鋼點(diǎn)焊車體制造與工藝研究方面，王洪亮和王亭以點(diǎn)焊參數(shù)監(jiān)測儀為智能監(jiān)控終端開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化不銹鋼車體點(diǎn)焊質(zhì)量管理系統(tǒng)[1]；王雪芳等闡述了不銹鋼車體制造基本工藝技術(shù)及其研制中的重點(diǎn)工藝驗(yàn)證方法[2]；彭章祝和吳志明分析了不銹鋼車體各部件在制造過程中應(yīng)用電阻焊、激光焊、MAG及TIG焊等焊接工藝的特點(diǎn)及合理性[3].運(yùn)用有限元仿真分析方法，黃志宏和許彥強(qiáng)研究高速不銹鋼車體結(jié)構(gòu)并指出在不銹鋼車體有限元建模和仿真分析時(shí)必須要重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等問題[4]；劉婷婷等研究不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)該車局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重，并通過加密側(cè)墻焊點(diǎn)提高側(cè)墻的臨界載荷[5].為提高具有復(fù)合式底架承載結(jié)構(gòu)的不銹鋼點(diǎn)焊車體的耐撞性，本文借助研究材料特性、壁厚、預(yù)變形以及結(jié)構(gòu)形狀對其吸能結(jié)構(gòu)的吸能特性的影響分析，對車體吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，并通過整車碰撞數(shù)值仿真進(jìn)行驗(yàn)證.

1 車體耐撞性設(shè)計(jì)思想

傳統(tǒng)車體耐撞性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是以保證車體承載結(jié)構(gòu)的完整性為主要目的，即車體在發(fā)生碰撞時(shí)不允許出現(xiàn)塑性變形.EN 12663—2010標(biāo)準(zhǔn)給出了地鐵、快速交通車輛和輕軌車等P-III類客運(yùn)車輛的車體兩端腰部高度與車頂邊梁高度處的縱向壓縮設(shè)計(jì)載荷(載荷施加方式參見圖1).在上述載荷作用下，利用線彈性有限元分析方法對車體進(jìn)行強(qiáng)度分析，并依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì).

圖1 車體一位端縱向載荷施加方式

當(dāng)前，車體耐撞性設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：碰撞時(shí)產(chǎn)生可控的有序變形來吸收能量，即車體端部吸能結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形吸收沖擊動(dòng)能，乘客區(qū)域產(chǎn)生彈性變形.究其實(shí)質(zhì)是要求車體結(jié)構(gòu)縱向剛度設(shè)計(jì)有合理的變化梯度.

整體承載式吸能結(jié)構(gòu)與模塊式吸能結(jié)構(gòu)是車體吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩種型式，參見圖2.前者是將吸能結(jié)構(gòu)與車體結(jié)構(gòu)集成在一起，車體碰撞時(shí)主要由吸能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形吸收動(dòng)能；后者是將吸能元件與防爬器集成，通過螺栓等機(jī)械連接方式安裝到車體底架前端.與整體承載式結(jié)構(gòu)相比，盡管模塊式吸能結(jié)構(gòu)安裝維修相對簡便，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜且吸能容量一般.所以，承載式吸能結(jié)構(gòu)在城軌地鐵車輛上獲得廣泛的應(yīng)用.

(a)整體承載式 (b)模塊式

圖2 車體吸能結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計(jì)型式

車輛碰撞是一個(gè)包含幾何、材料及邊界等多重高度非線性的瞬態(tài)響應(yīng)過程，線彈性有限元方法不能滿足碰撞仿真分析的要求，因此，國外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)成功地開發(fā)了用于車輛碰撞仿真分析的有限元程序，如：LS-DYNA3D、PAM-CRASH、MSC/DYTRAN.

2 點(diǎn)焊車體結(jié)構(gòu)的耐撞性問題

圖3為點(diǎn)焊車體典型復(fù)合式底架結(jié)構(gòu)示意圖，圖中部件1為碳鋼邊梁，部件2為不銹鋼邊梁.由圖3可以看出：具有復(fù)合式底架承載結(jié)構(gòu)的不銹鋼車體結(jié)構(gòu)的縱向剛度在枕內(nèi)碳鋼邊梁截止處發(fā)生突變.當(dāng)車體正面碰撞時(shí)，在縱向沖擊載荷作用下，車體的這一縱向剛度突變部位極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致客室區(qū)域出現(xiàn)塑性變形.

圖3 點(diǎn)焊車體典型復(fù)合式底架結(jié)構(gòu)

某不銹鋼點(diǎn)焊車在滿載狀態(tài)下以25 km/h的速度撞擊剛性墻，碰撞時(shí)間為200 ms時(shí)頭車車體的變形如圖4所示.從圖4可以看出：前端吸能結(jié)構(gòu)和客室區(qū)域的底架和側(cè)墻均發(fā)生了塑性變形，并且客室區(qū)域底架出現(xiàn)塑性變形的位置為碳鋼邊梁截止處.車體能量及其端部吸能隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示，初始時(shí)刻車體動(dòng)能為1 021.69 kJ，200 ms時(shí)車體動(dòng)能為25.39 kJ，端部吸能結(jié)構(gòu)吸收651.32 kJ能量，僅占總吸能的65.3%.

圖4 點(diǎn)焊車體碰撞變形圖

(a)全局能量

(b)端部吸能

3 車體吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及整車驗(yàn)證

點(diǎn)焊車體初始方案的吸能結(jié)構(gòu)為矩形薄壁筒形結(jié)構(gòu)，其尺寸為560 mm×72 mm×148 mm.發(fā)生碰撞時(shí)，吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)能按照可控方式變形，且要滿足吸能和撞擊力達(dá)到一定的指標(biāo).綜合考慮影響吸能結(jié)構(gòu)吸能特性的主要因素(材料特性、預(yù)變形、壁厚以及形狀)，車體吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程如圖6所示.

圖6 車體吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

相同碰撞條件下，不銹鋼SUS301L四個(gè)等級DLT、ST、MT、HT的吸能結(jié)構(gòu)的撞擊力和吸收的能量隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示；兩種預(yù)變形方案的撞擊力和吸收的能量隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示；三種壁厚的撞擊力和吸收的能量隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示；兩種形狀的撞擊力和吸收的能量隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示.結(jié)合圖7～10，可以看出：材料為SUS301L MT級、開四個(gè)對稱方孔、壁厚4 mm的錐形管吸能結(jié)構(gòu)的撞擊力為562.33 kN，較初始方案的增加74%；但在相同的碰撞時(shí)間吸收的能量為139.58 kJ，較初始方案的增加了將近2.4倍.

(a)撞擊力-時(shí)間

(b)吸能-時(shí)間

(a)撞擊力-時(shí)間

(b)吸能-時(shí)間

(a)撞擊力-時(shí)間

(b)吸能-時(shí)間

(a)撞擊力-時(shí)間

(b)吸能-時(shí)間

為驗(yàn)證吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化后能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，將對裝有優(yōu)化方案吸能結(jié)構(gòu)的點(diǎn)焊車體(參見圖11)進(jìn)行撞擊剛性墻的仿真試驗(yàn).

圖11 改進(jìn)后點(diǎn)焊車車體結(jié)構(gòu)

圖12給出了車體在碰撞過程中全局能量及端部吸能隨時(shí)間的變化曲線圖，可以看出：在碰撞初始時(shí)刻的車體動(dòng)能為1 064.28 kJ，200 ms時(shí)車體動(dòng)能為30.16 kJ，該過程中車體總吸能為1 034.12 kJ，其中前端吸能結(jié)構(gòu)吸能966.81 kJ，占車體總吸能的93.5%，比原方案吸能提高了28.2%.

(a)全局能量

(b)端部吸能

車體在碰撞200 ms時(shí)的變形如圖13所示，從圖13可以看出：僅有車體前端吸能結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性變形.

圖13 改進(jìn)后車體碰撞變形圖

4 結(jié)論

不銹鋼點(diǎn)焊車體結(jié)構(gòu)大變形碰撞仿真結(jié)果表明：

(1)當(dāng)車體正面碰撞時(shí)，車體底架枕內(nèi)碳鋼邊梁截止區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致客室區(qū)域塑性變形.所以，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域部件縱向剛度的設(shè)計(jì)；

(2)相同碰撞條件、壁厚、材料、預(yù)變形下，與方形結(jié)構(gòu)相比，在相同的碰撞時(shí)間內(nèi)，錐形吸能結(jié)構(gòu)吸收的能量增加了140%；碰撞力增加了74%；

(3)與原方案相比，改進(jìn)后車體前端吸能結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向折疊塑性變形，客室區(qū)域僅發(fā)生彈性變形；碰撞200 ms時(shí)，前端吸能結(jié)構(gòu)吸能966.81 kJ，占車體總吸能的93.5%，提高了28.2%；撞擊力的最大峰值為1 116.38 kN，降低了19.4%.

[1]王洪亮，王亭，徐國成．不銹鋼城軌客車車體電阻點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控[J]．焊接技術(shù)，2010，39(10)：60- 62.

[2]王雪芳，蔣正光，袁立祥.城軌車輛不銹鋼車體制造技術(shù)研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2012，35(3)：76- 78.

[3]彭章祝，吳志明．城軌不銹鋼車體制造焊接工藝研究[J]．現(xiàn)代機(jī)械，2012(3)：1- 3.

[4]黃志宏，許彥強(qiáng)．不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析要點(diǎn)[J]．鐵道車輛，2012，50(6)：14- 18.

[5]劉婷婷，劉海濤，陳秉智．不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J]．大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(1)：6- 9.

Crashworthiness Research on Stainless Steel Spot-Welding Car-Body

XIE Suming1,ZHANG Lin1,LIU Jin2

(1.School of Traffic and Transportaion Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.CNR Tangshan Railway Vehicle Co.,Ltd,Technology Center,Tangshan 063035,China)

Passenger compartment region of a stainless steel spot-welding car-body would be wrinkled,due to deficiency of its energy-absorbing structure,when it encountered a frontal collision.An optimal energy-absorbing structure of the car-body is deduced,considering influence of material properties,thickness,pre-deformed and structure shape on energy absorption characteristics.Absorbing energy of the optimal structure is improved by 28.2%,compared to original structure.

spot-welding vehicle;crashworthiness;absorbing structure

1673- 9590(2015)01- 0010- 05

2014- 03- 28

國家科技支撐計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2013BAG21Q01)

謝素明(1965-)，女，教授，博士，主要從事車輛工程CAE關(guān)鍵技術(shù)研究

E-mail:sumingxie@163.com.

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