高速動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄧海,閔韓琴

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

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高速動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄧海,閔韓琴

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

采用有限元數(shù)值分析技術(shù)與整車靜強(qiáng)度試驗(yàn)和在線測試相結(jié)合的方法，依據(jù)EN 12663- 2010標(biāo)準(zhǔn)，對新一代高速動(dòng)車組鋁合金車體底架和門框進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；基于車體端墻結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，確定提高一階縱向彎曲振動(dòng)頻率的端墻改進(jìn)結(jié)構(gòu).經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了車體優(yōu)化方案的可行性，并將此方案運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中.

動(dòng)車組；局部模態(tài)；靜強(qiáng)度試驗(yàn)；在線測試

0 引言

新一代高速動(dòng)車組鋁合金車體主結(jié)構(gòu)是在引進(jìn)的CRH3型動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，車體材料選擇6xxx系鋁合金材料，車體材料滿足DIN5513標(biāo)準(zhǔn)[1]；車體結(jié)構(gòu)滿足EN1999標(biāo)準(zhǔn)[2]，車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足《200 km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》及EN 12663標(biāo)準(zhǔn)[3].由于動(dòng)車組鋁合金車體焊縫強(qiáng)度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)EN1999的升級，例如：厚度t≤5 mm的6005A-T6型材，1998版的EN1999標(biāo)準(zhǔn)中的焊縫熱影響區(qū)的許用應(yīng)力為140 MPa，2007版的焊縫熱影響區(qū)的許用應(yīng)力僅為115 MPa.因此，采用2007版的EN1999標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)CRH3型動(dòng)車組車體底架前端及門口局部結(jié)構(gòu)時(shí)，存在強(qiáng)度不足問題.此外，CRH3型動(dòng)車組在運(yùn)營過程中，車體端墻和扶手出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)現(xiàn)象.

本文借助整車車體靜強(qiáng)度有限元分析與靜強(qiáng)度試驗(yàn)，篩選滿足EN1999- 2007標(biāo)準(zhǔn)的新一代高速動(dòng)車組鋁合金車體底架前端和門口結(jié)構(gòu)的最佳方案；通過車體端墻結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及在線測試，確定提高端墻縱向彎曲振動(dòng)頻率的改進(jìn)結(jié)構(gòu).

1 車體局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)EN1999- 2007標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)CRH3型動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)時(shí)，鋁合金車體底架前端及門口存在局部應(yīng)力超標(biāo)問題，具體超標(biāo)點(diǎn)位置見圖1(E1、E2、E3、E4是貼應(yīng)變片的位置).

為解決底架前端應(yīng)力超標(biāo)問題，制定了九種優(yōu)化方案，具體優(yōu)化方案見表1，前端結(jié)構(gòu)示意如圖2所示.為提高門口局部強(qiáng)度，制定了兩種優(yōu)化方案：①底架邊梁型材尺寸G由6 mm改為7 mm，尺寸F由4 mm改為5 mm，門上橫梁型材尺寸J由5 mm改為5.5 mm，尺寸H由4 mm改為4.5 mm；②底架邊梁型材尺寸G由6 mm改為7.5 mm，尺寸F由4 mm改為5.5 mm，門上橫梁型材尺寸J由5 mm改為5.5 mm，尺寸H由4 mm改為4.5 mm.

圖1 車體底架前端及門口局部應(yīng)力超標(biāo)點(diǎn)示意

圖2 底架前端、邊梁、門上橫梁結(jié)構(gòu)示意圖

優(yōu)化方案改進(jìn)結(jié)構(gòu)說明1取消件1的開孔D,板厚A為15mm,厚度不變.2取消件1的開孔D,板厚A由15mm改為20mm.3取消件1的開孔D,板厚A由15mm改為25mm.4件3改為傾斜的,件1板厚A為15mm,開孔形狀D變化.5件3開圓孔,件1板厚A為15mm,開口形狀D變化.6件1板厚A由15mm改為20mm;件2板C板厚度改為20mm;件3板厚B由3mm改為去10mm;件4板厚E由6mm改為10mm.7在方案6的板厚基礎(chǔ)上,改變件1開孔D的形狀和尺寸,使其開孔避開焊縫位置.8在方案7的基礎(chǔ)上,開孔D形式不變,件3板厚B改為3mm件4板厚E改為7mm.9在方案7的基礎(chǔ)上,開孔D形式改變,件3板厚B改為12mm,件4板厚E改為10mm.

為篩選出車體底架前端及門口結(jié)構(gòu)的最佳方案，在車體不同狀態(tài)的車鉤區(qū)域1 500 kN壓縮載荷工況作用下，分別對底架前端的九種方案和門口結(jié)構(gòu)的二種方案開展整車車體靜強(qiáng)度有限元分析，依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，確定底架前端的第九個(gè)方案和門口結(jié)構(gòu)第二個(gè)方案滿足EN1999- 2007標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求.圖3為車體底架前端和門口的計(jì)算結(jié)果.將上述設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于鋁合金車體設(shè)計(jì)中，并制造出物理樣車(參見圖4).車體底架前端及門口結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]見表2和3.由表2和3可以看出：物理樣車車體底架前端及門口結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)應(yīng)力均小于它們的許用應(yīng)力.

圖3 車體局部結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖4 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

工況測量點(diǎn)應(yīng)力/MPaE1點(diǎn)E2點(diǎn)許用應(yīng)力MPa工況描述1-108.7-106.8115車鉤1500kN壓縮載荷2-111.6-111.2115工作狀態(tài)車鉤1500kN壓縮載荷3-112.4-113.9115最大載荷狀態(tài)車鉤1500kN壓縮載荷

表3 車體門口的試驗(yàn)結(jié)果

2 車體端墻模態(tài)分析及試驗(yàn)研究

為研究CRH3型動(dòng)車組車體端墻和扶手局部振動(dòng)特性，在端墻原始設(shè)計(jì)(稱為方案1)的基礎(chǔ)上，增加端墻立柱(稱為方案2)，尺寸為2 560 mm×80 mm×45 mm×8 mm ；端墻增加立柱，并同時(shí)車頂相鄰區(qū)域增加橫梁、縱梁(稱為方案3)，尺寸分別為：1 885 mm×140 mm×155 mm×5 mm 和1 155 mm×133 mm×8 mm.車體材料密度為3.13×103kg/m3，彈性模量為7.0×104MPa，泊松比為0.33.

車體端墻結(jié)構(gòu)三方案模態(tài)分析的有限元模型1的單元總數(shù)為125 776，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為113 316，結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1.589 t；模型2的單元總數(shù)為126 718，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為114 098，結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1.614 t；模型3的單元總數(shù)為128 784，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為115 962，結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1.638 t.車體端墻結(jié)構(gòu)模態(tài)分析邊界條件一致，均在車體一端施加全約束.

分析圖5、圖6以及表4可得出：車體端墻增加立柱后，車體端墻的一階縱向彎曲振動(dòng)頻率提高了3.87 Hz；二階縱向彎曲振動(dòng)頻率提高了4.01 Hz.

(a)端墻一階縱向彎曲 (b)端墻二階縱向彎曲 (a)端墻一階縱向彎曲 (b)端墻二階縱向彎曲

圖5 車體端墻原結(jié)構(gòu)的振型云圖 圖6 車體端墻結(jié)構(gòu)方案二的振型云圖

表4 車體端墻結(jié)構(gòu)三方案的模態(tài)分析結(jié)果 Hz

階數(shù)方案1方案2方案3138.2837.7337.76242.69(端墻一階縱向彎曲)46.56(端墻一階縱向彎曲)46.57(端墻一階縱向彎曲)346.35(端墻二階縱向彎曲)50.36(端墻二階縱向彎曲)50.36(端墻二階縱向彎曲)460.0860.0660.06561.2261.2261.22

為確認(rèn)車體端部結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的效果，在哈爾濱西-扶余北區(qū)段，對動(dòng)車組(運(yùn)行速度為292 km/h)車體端墻方案二和原方案進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測試，測點(diǎn)布置參見圖7和表5，測試結(jié)果[5]如圖8所示.從圖8可知：端部結(jié)構(gòu)更改后縱向振動(dòng)主頻后移5 Hz，振幅相對下降.

表5 端部扶手振動(dòng)測點(diǎn)

圖7 測試車體端門立柱及振動(dòng)響應(yīng)測點(diǎn)布置

圖8 端墻和扶手測點(diǎn)的頻譜圖

3 結(jié)論

采用有限元數(shù)值分析技術(shù)與整車靜強(qiáng)度試驗(yàn)和在線測試相結(jié)合的方法，篩選出滿足EN1999- 2007標(biāo)準(zhǔn)的CRH3型動(dòng)車組車體底架前端及門口結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)測點(diǎn)應(yīng)力均小于它們的許用應(yīng)力；增加立柱的車體端墻的一階縱向彎曲振動(dòng)頻率提高了3.87 Hz；二階縱向彎曲振動(dòng)頻率提高了4.01 Hz，端部結(jié)構(gòu)的在線振動(dòng)響應(yīng)測試數(shù)據(jù)表明，縱向振動(dòng)主頻后移5 Hz，振幅下降，端部側(cè)墻和扶手的振動(dòng)特性得到了一定改善.

[1]DIN5513- 2007軌道車輛材料：鋁及鋁合金[S].德國：[s.n.],2007.

[2]The European Standard(EN).BS EN1999- 1- 1：2007 Eurocode 9:Design of aluminum structures(Part 1- 1：General structural rules)[S].British:BSI，2007.

[3]BS EN 12663- 1:2010鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求(第一部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛)[S].British:BSI，2010.

[4]標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告[R].鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心車輛檢驗(yàn)站，2015.

[5]高速動(dòng)車組車輛端部線路測試報(bào)告[R].長春軌道客車股份有限公司，2014.

Structure Optimization of High-Speed EMU Aluminum Car- Body

DENG Hai,MIN Hanqin

(CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,Changchun 130062,China)

Component strength and end-wall resonance are studied for new generation high-speed EMU aluminum car-body.According to EN 12663- 2010 standard,the under-frame and door-frame structures are optimized by FEA technique and vehicle static strength test.Based on the end-wall modal analysis and related online test,the improved side-wall structure which has higher longitudinal bending vibration frequency,is determined.The improved car-body structure has been accepted in car-body design.

EMU;partial modal;static strength test;online test

1673- 9590(2016)03- 0015- 04

2015- 05- 13

鄧海(1973-),男，副教授,學(xué)士，主要從事鋁合金車體結(jié)構(gòu)的研究E-mail:dengh300@163.com.

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