動車組鋁合金車體強度設(shè)計技術(shù)研究

毛哲騫

【摘要】鋁合金具有密度低、強度高、擠壓性能好、焊接性及加工性能優(yōu)良等特點，已經(jīng)成為高速列車動車組車體生產(chǎn)的主導(dǎo)材料。本文介紹了動車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路、強度要求以及結(jié)構(gòu)特點。依據(jù)EN12663標準要求，利用有限元法對車體強度進行了仿真計算，結(jié)果顯示車體結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】動車組；鋁合金車體；結(jié)構(gòu)設(shè)計；強度

一、前言

隨著高鐵技術(shù)的不斷創(chuàng)新，動車組車體的剛度和強度性能等問題已成為車體設(shè)計的重中之重。動車組鋁合金車體主要由底架、車頂、側(cè)墻和端墻四大部件組焊而成。本文以動車組鋁合金車體車體為研究對象，借助ANSYS仿真軟件，計算分析了垂向、拉伸、壓縮等多種工況，結(jié)果滿足車體強度要求。

二、車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）概述

車體承載結(jié)構(gòu)采用與車體基本等長的大型中空鋁合金型材組焊而成，為薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、車頂、端墻、司機室結(jié)構(gòu)等組成。各大部件均為長大型材拼焊而成。焊接接頭采用對接和搭接的連接方式。車體強度滿足EN12663標準PⅡ級要求；車體的焊接執(zhí)行EN15085標準。車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命不小于30年或1200萬公里。

（二）底架設(shè)計

底架主要由兩大部分組成，底架中部結(jié)構(gòu)和底架端部結(jié)構(gòu)。底架中部結(jié)構(gòu)包括地板和邊梁組成，地板與邊梁焊接，縱向貫通，以提高車體縱向剛度。底架兩端為底架端部結(jié)構(gòu)，集成多個系統(tǒng)部件的接口，以減輕重量。中間車底架組成（俯視）見圖1。

（三）車頂設(shè)計

車頂由車頂型材、端部過渡連接型材等構(gòu)成，提供空調(diào)機組、新風(fēng)口及車頂電氣部件等設(shè)備的安裝接口。高頂區(qū)域采取了減重設(shè)計并采用弧斷面，利于車頂排水并有益于車頂縱向剛度的提高。在有受電弓的拖車車頂設(shè)置平頂結(jié)構(gòu)。高頂和平頂分別由幾塊大型中空型材拼焊而成，車頂結(jié)構(gòu)圖見圖2。

（四）側(cè)墻設(shè)計

側(cè)墻由側(cè)墻上部型材、側(cè)墻下部型材、窗口下部型材、窗口上部型材、側(cè)窗型材五塊大型中空鋁型材拼焊而成，各車側(cè)墻的外部輪廓及型材斷面組成均相同。車門兩側(cè)焊有門立柱用于補強及安裝塞拉門設(shè)備。門角、窗角等高應(yīng)力區(qū)設(shè)大圓弧過渡，側(cè)墻鋁結(jié)構(gòu)見圖3。

（五）端墻設(shè)計

端墻主要由端墻板、兩側(cè)端角柱、彎梁組成，端門上角采用大圓角過渡并設(shè)計補強結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中并提高強度。如圖4所示。

三、分析計算

（一）車體強度

結(jié)合車體結(jié)構(gòu)類型，選取受電弓車（整備重量最大）及頭車兩種車體進行強度仿真分析。執(zhí)行標準：EN12663標準中PⅡ等級載荷工況的和氣密載荷±4000Pa要求。車體強度分別進行仿真分析，在各個強度工況作用下，應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，車體靜強度滿足標準要求。主要的分析工況見表1。

（二）車體疲勞強度

車體疲勞計算工況共計3種，具體見表2，在各疲勞載荷工況作用下，車體焊接部位的最大應(yīng)力范圍均小于各焊縫疲勞許用應(yīng)力范圍，各位置最大疲勞累積損傷值為0.689，均小于1.0，滿足疲勞強度要求。

四、結(jié)語

動車組車體采用輕質(zhì)鋁合金材質(zhì)，是基于車體輕量化設(shè)計的思路。車體結(jié)構(gòu)除了要具有良好的組裝工藝性外，還應(yīng)具有足夠的強度。本文依據(jù)EN12663標準和《200km/h及以上速度級鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定》，對車體強度進行了有限元計算分析，并結(jié)合靜強度試驗結(jié)果對車體承載特性進行了驗證，為系統(tǒng)掌握高速動車組鋁合金車體設(shè)計技術(shù)提供了理論依據(jù)。

參考文獻

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