歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12663-1的應(yīng)用研究

王艷麗 陳 剛 譚富星

(中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部，130062，長春//第一作者，高級工程師)

車體是軌道客車的主要承載結(jié)構(gòu)，需要承擔(dān)車輛內(nèi)裝、車輛設(shè)備和人員體重，是保證車輛運能和行車安全的基礎(chǔ)，而車體靜強度是衡量車體承載性能的重要指標(biāo)之一。按照BS EN 12663-1—2000《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛的結(jié)構(gòu)要求》中的要求，在車體設(shè)計過程中應(yīng)進行車體靜強度分析和試驗，根據(jù)分析和試驗結(jié)果確認是否應(yīng)改進設(shè)計結(jié)構(gòu)，以保證最終通過相關(guān)驗證。

BS EN 12663-1為歐盟標(biāo)準(zhǔn)，自2000年發(fā)布以來，逐漸成為執(zhí)行范圍最廣的車體結(jié)構(gòu)強度標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)雖然只是區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)，但適用的車輛范圍比較廣，所以，目前除了極個別項目客戶要求執(zhí)行日本標(biāo)準(zhǔn)JIS E 7105—2006《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)的靜載荷試驗方法》外，絕大多數(shù)項目均執(zhí)行歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12663-1。但隨著應(yīng)用的深入，該標(biāo)準(zhǔn)的局限性也隨之顯現(xiàn)。如何用好該標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地指導(dǎo)車輛靜強度分析和試驗，為車體設(shè)計與改進提供真實、可靠的數(shù)據(jù)支撐，是本文研究的重點。

1 車體靜強度分析與試驗的意義

軌道客車車體焊縫眾多，各部位的焊縫是強度比較低的地方，如側(cè)墻的門角與窗角、端墻的門角、端部的邊梁等均是應(yīng)力集中的高發(fā)區(qū)域。這些應(yīng)力集中問題都會在車體靜強度分析報告和車體靜強度試驗報告中體現(xiàn)，并且需要在車體量產(chǎn)前加以解決。

靜強度分析的目的：第一是積累主動性經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將為各類不同車型設(shè)計提供參考，避免一些重復(fù)性、普遍性的應(yīng)力問題；第二是針對性解決問題，如對于安全系數(shù)過低的部位，可有的放矢地進行設(shè)計改進。

靜強度試驗的目的：對靜強度分析報告和改進設(shè)計進行驗證，尤其需要關(guān)注分析報告中安全系數(shù)低或處于臨界值的部位，以保證車輛設(shè)計閉環(huán)管理。

2 車體靜強度分析與試驗準(zhǔn)備

車體靜強度試驗需要在車輛試制階段完成，一般會選兩臺完工車體進行試驗。以近年生產(chǎn)的某A型鋁合金地鐵車為例，車體框架材料以6005A-T6鋁型材和EN AW-6082-T6鋁材為主，局部搭配使用8-Q345R鋼板(如二位端防爬器的面板和底板)。這樣的材質(zhì)組合本身強度好、工藝性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

車體靜強度分析需使用CATIA軟件建模，建模過程中應(yīng)對于非承載構(gòu)件和附屬構(gòu)件適當(dāng)簡化。車體有限元模型采用HyperMesh軟件劃分，整車采用四邊形薄殼單元進行網(wǎng)格離散，對于重要部位應(yīng)進行局部細劃。整車共劃分1 047 000余個節(jié)點，1 234 000余個單元。

3 靜強度分析與試驗工況

BS EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)中，針對車體靜強度分析與試驗涉及的工況表述較詳盡，但也相當(dāng)繁雜，達20多種，但并非所有項目都需要執(zhí)行所有工況。例如，對于城市軌道交通車輛，一般可省略車底吊掛的固結(jié)工況。目前很多用戶會指定靜強度分析與試驗工況，如要求增加防爬器壓縮工況等。根據(jù)BS EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)的要求和軌道客車特點，有些工況無論是否被用戶指定都必須進行分析與試驗，如垂向載荷、車鉤區(qū)域的壓縮與拉伸載荷、抬車工況、復(fù)軌工況等。

以P-Ⅲ類A型鋁合金地鐵車輛為例，一般車體靜強度分析與試驗工況可歸納為以下10種：①垂向總載荷；②1 200 kN壓縮與車輛整備垂直載荷合成；③1 200 kN壓縮與車輛超載垂直載荷合成；④960 kN拉伸與車輛整備垂直載荷合成；⑤960 kN拉伸與車輛超載垂直載荷合成；⑥端部壓縮300 kN(地板上方150 mm及腰帶高度)；⑦端部壓縮150 kN(上邊梁高度)；⑧抬車工況(枕內(nèi)、枕外)；⑨3點支撐；⑩復(fù)軌工況。

經(jīng)分析同時結(jié)合車輛性能，可得知P-Ⅱ類動車組車輛與P-Ⅲ類地鐵車輛在靜強度分析和試驗工況上的最大差別是縱向拉壓載荷的水平。P-II類車輛的車鉤區(qū)域拉伸載荷為1 000 kN，壓縮載荷為1 500 kN，而P-III類車輛的車鉤區(qū)域拉伸載荷和壓縮載荷分別為1 200 kN和960 kN。

4 標(biāo)準(zhǔn)的局限性

隨著軌道客車的發(fā)展以及用戶的多元化，目前軌道客車從車體材質(zhì)上和結(jié)構(gòu)上均出現(xiàn)了新的類型，既有的歐盟標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能很好地對這些產(chǎn)品的車體設(shè)計以及強度驗證進行界定，如：碳纖維復(fù)合材料在全車身或者某些部位上的應(yīng)用(如司機室頭罩)；鉸接式軌道客車。

對于近年新興的碳纖維復(fù)合材料軌道客車，為驗證車體強度，應(yīng)在現(xiàn)有歐盟標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的工況基礎(chǔ)上，增加碳纖維復(fù)合材料之間、碳纖維復(fù)合材料和金屬材料之間的化學(xué)粘接、螺栓連接等連接方式的驗證。這部分規(guī)定可以引用復(fù)合材料工業(yè)領(lǐng)域的其他標(biāo)準(zhǔn)，但應(yīng)概括在軌道客車設(shè)計和強度驗證的標(biāo)準(zhǔn)中，以便各設(shè)計單位和驗證機構(gòu)有統(tǒng)一的尺度。而對于鉸接式軌道客車，由于其質(zhì)量分布、連接方式等都和普通的軌道客車有較大差異，因此，應(yīng)對的分析及試驗工況需重新進行界定。

此外，歐盟標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的載荷量級都是基于歐盟國家軌道交通的乘員數(shù)量、乘員平均體重、線路狀況、行業(yè)法律法規(guī)等需求，不能完全符合我國國情。如果今后頒布此類國際標(biāo)準(zhǔn)，這些方面應(yīng)加以完善。

5 對設(shè)計改進的指導(dǎo)作用

如果車體靜強度分析報告的結(jié)果不理想，可以根據(jù)車輛狀態(tài)和報告中顯示的車體部位以及具體的應(yīng)力數(shù)值來綜合選擇改進方案。對安全系數(shù)1.00～1.15的臨界值需加以重視，有些關(guān)鍵部位應(yīng)預(yù)留強度余量(安全系數(shù)1.15以上)，以避免靜強度試驗中出現(xiàn)較多的不合格項而導(dǎo)致大范圍設(shè)計更改?，F(xiàn)以P-Ⅲ類A型鋁合金地鐵車為例，解析各種改進方案。

5.1 設(shè)計階段

車輛處于設(shè)計階段(還未投產(chǎn)時)，如果車體靜強度分析報告中出現(xiàn)車體部位應(yīng)力集中現(xiàn)象，則可以考慮以下改進方案。

5.1.1 局部更換材質(zhì)

例如，分析顯示車體底架牽引梁立板強度不足，并且最大應(yīng)力值超差許用應(yīng)力值較多，不可能通過改變結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，因此，設(shè)計者應(yīng)將立板的材質(zhì)由5083-O鋁板改為6082-T6鋁板，使母材強度由125 MPa提高到260 MPa。然后再次進行靜強度分析，直至滿足強度要求。

5.1.2 更改材料厚度

例如，分析顯示側(cè)墻窗角強度不足，而原窗角型材上下壁厚一致，則設(shè)計者可將窗角下部對應(yīng)位置的型材厚度加厚1 mm，使應(yīng)力降低約40 MPa，以滿足強度要求。窗角型材斷面如圖1所示。

圖1 車輛窗角型材斷面示意圖

5.1.3 型材圓滑過渡

鋁型材厚度變化處易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，如對型材厚度變化處進行圓滑處理，則可改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖1右下角所示的窗角型材圓角即經(jīng)過了圓滑處理。

5.1.4 更改結(jié)構(gòu)與焊縫位置

例如，車體端墻與底架接口，設(shè)計時采用了板梁結(jié)構(gòu)，在接口處有一豎向焊縫(見圖2 a))。靜強度分析顯示該處安全系數(shù)小于1，強度明顯不足，所以端墻設(shè)計改進時局部推翻了原方案，不再采用板梁結(jié)構(gòu)，而是采用整體承載的型材結(jié)構(gòu)(見圖2 b))。圖中可見已將原來的豎向焊縫改為了橫向焊縫，改進后安全系數(shù)大幅提高，滿足了強度要求。

a) 豎向焊縫b) 橫向焊縫

圖2 結(jié)構(gòu)與焊縫位置更改示意圖

5.1.5 更改連接方式

焊接方式在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為常用，但焊縫強度要比母材強度低很多，會導(dǎo)致車體靜強度出現(xiàn)問題，所以當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)強度不足時，如果結(jié)構(gòu)允許，可以考慮采用鉚接連接，鉚接方式比焊接方式強度要高很多(見圖3)。

圖3 上門角鉚接結(jié)構(gòu)示意圖

5.1.6 增加補強板

如果上述方案不合適，還可以考慮增加補強板。這種方法靈活多變，不拘一格。因為有防寒材存在，為補強板提供了應(yīng)用空間，所以在窗角、門角處很適用。同時，因其改動影響較小，兼顧了經(jīng)濟性與實用性，所以在設(shè)計改進中應(yīng)用較多(見圖4)。

圖4 窗角補強結(jié)構(gòu)示意圖

5.2 試制階段

如果車體已在試制階段，說明車體靜強度分析報告已合格，但車體靜強度試驗仍可能出現(xiàn)不合格情況。如果試驗中出現(xiàn)不合格項，表明驗證未通過，仍需要進行設(shè)計改進。

后續(xù)未投產(chǎn)車體可以按照設(shè)計階段的改進方案進行設(shè)計改進。設(shè)計改進可能會有多種選擇，但是已完成的兩輛試驗用車體，如果采用更換材質(zhì)、更改結(jié)構(gòu)或焊縫位置、更改連接方式等方案改進，可能對車輛影響較大，代價也較高。因此，如果是焊縫部位最大應(yīng)力超限，且超限不多的情況下，一般可選擇打磨焊縫。但此方法一般只能將應(yīng)力值降低10 MPa左右，如果應(yīng)力超差過大，更可靠的方案還是應(yīng)該選擇補強板方式。

6 結(jié)語

從BS EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)中選擇合適工況進行車體靜強度分析與試驗是保證其結(jié)果真實、可靠的前提。但是，有些新車型或新材料未包含在該標(biāo)準(zhǔn)給出的工況定義內(nèi)，所以也應(yīng)注意此該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的局限性。根據(jù)分析與驗證結(jié)果進行設(shè)計改進是難點所在，設(shè)計者在應(yīng)用以往項目經(jīng)驗的同時，也應(yīng)注重實用性與經(jīng)濟性，需要在保證車體強度的條件下，因地制宜和靈活應(yīng)用改進方法。