雙層不銹鋼車體焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張碩韶 王力

摘要：按照美國(guó)客運(yùn)軌道車輛的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用符合美標(biāo)的低碳不銹鋼和低合金高強(qiáng)鋼進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中雙層不銹鋼車體點(diǎn)焊焊接接頭的設(shè)計(jì)符合AWD D17.2和AWS C1.1焊接標(biāo)準(zhǔn)，弧焊焊接接頭形式根據(jù)不同板厚分別按照AWS D1.1和AWS D17.2進(jìn)行設(shè)計(jì)。車體各大部件和車體總成適合模塊化制造，焊接變形小，側(cè)墻、側(cè)頂、端墻等可視表面平整度好，能滿足車體優(yōu)美、平滑的外觀要求。車體靜強(qiáng)度、屈曲計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，試驗(yàn)車體的強(qiáng)度符合美國(guó)客運(yùn)軌道車輛的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)APTA PR-CS-S-034-99，產(chǎn)品安全可靠。

關(guān)鍵詞：雙層不銹鋼車體;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);焊接接頭;彈性極限

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0083-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.17

0? ? 前言

按照招標(biāo)要求，某雙層不銹鋼客車由機(jī)車牽引，采取7輛編組，運(yùn)營(yíng)速度160 km/h，最高試驗(yàn)速度>176 km/h。車體主體結(jié)構(gòu)由弧焊骨架和點(diǎn)焊蒙皮組焊而成，為板、梁組合的筒型整體承載結(jié)構(gòu)，在滿足車體強(qiáng)度和剛度的前提下，同時(shí)滿足車輛的碰撞吸能要求，車體外表面為無(wú)涂裝形式。車體強(qiáng)度需符合美國(guó)客運(yùn)軌道車輛的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)APTA PR-CS-S-034-99[1]，車體質(zhì)量小于等于22.5 t。為滿足車鉤區(qū)域最大縱向載荷363 t的要求，首次采用邊梁傳力70%、魚(yú)腹中梁傳力30%縱向載荷的定向設(shè)計(jì)模式;為滿足端部227 t的端梁壓縮和227 t的防撞柱根部剪切要求，采用端部模塊設(shè)計(jì)型式，將緩沖梁、車鉤托梁和端墻一體設(shè)計(jì)，一體制造。車體各大部件和車體組成結(jié)構(gòu)符合美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)焊接要求，同時(shí)采用冷調(diào)的制造工藝控制車體變形及尺寸公差， 按照APTA-PR-CS-S-034-99《客運(yùn)軌道車輛的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)》和49 CFR 238子部分C《客運(yùn)設(shè)備具體要求》[2]進(jìn)行車體靜強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)，車體各處應(yīng)力均小于彈性極限，車端防撞柱塑性變形小于規(guī)定，可檢區(qū)域無(wú)失穩(wěn)變形，滿足標(biāo)準(zhǔn)及招標(biāo)標(biāo)書(shū)要求。

1 雙層不銹鋼客車主要技術(shù)參數(shù)

車體采用模塊化設(shè)計(jì)，不僅可以降低制造誤差，滿足表面質(zhì)量要求，還能簡(jiǎn)化組裝制造工藝，提高生產(chǎn)效率。優(yōu)化后的客車主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 不銹鋼車體母材、焊接材料及弧焊標(biāo)準(zhǔn)的選擇

2.1 不銹鋼車體母材

由于車體表面為無(wú)涂裝型式，為使車體具有很好的防腐性能，除端部底架、端角柱、防撞柱選用高強(qiáng)度低合金鋼A588和A710外，其他主結(jié)構(gòu)材料均選擇含碳量不超過(guò)0.03%的奧氏體不銹鋼301L，同時(shí)為減輕車體自重，上層地板選用6000系鋁合金，具體材料如表2所示。

301L不銹鋼是符合A666[3]標(biāo)準(zhǔn)的低碳奧氏體不銹鋼，經(jīng)過(guò)固溶熱處理后具有完全的奧氏體組織，在室溫下呈現(xiàn)單相奧氏體狀態(tài)。301L不銹鋼本身具有高韌性和塑性，經(jīng)冷軋加工后能提高其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，并且冷彎成型及壓制加工性好。針對(duì)厚度6 mm以下的不銹鋼板，通過(guò)控制壓延率的大小，獲得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度由低到高分別為L(zhǎng)、1/16Hard、1/8Hard、1/4Hard、1/2Hard等5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的不銹鋼。

A588[4]是符合美標(biāo)的高強(qiáng)度低合金鋼，通過(guò)Cu、P、Cr、Ni等的合金化在金屬基體表面形成保護(hù)層，具有較高的耐大氣腐蝕性能。A710[5]也是符合美標(biāo)的高強(qiáng)度低合金鋼，其屈服強(qiáng)度較高，因車體減重需要，在端部底架少量使用。

車體材料性能如表3所示，高強(qiáng)度低合金鋼焊縫區(qū)的許用應(yīng)力僅用于全熔透焊縫區(qū)靜強(qiáng)度的校核。

2.2 焊接材料

綜合考慮焊接接頭的力學(xué)性能、防腐性能及填充材料的工藝性，在AWS A5.9和AWS A5.28標(biāo)準(zhǔn)中選擇性能匹配的4種焊接填充材料，即ER308LSi、ER309LSi、ER80S-G、ER100S-G，如表4所示，經(jīng)焊接工藝評(píng)定驗(yàn)證，4種焊接填充材料滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 弧焊標(biāo)準(zhǔn)

車體主體材料涉及奧氏體不銹鋼和低合金高強(qiáng)鋼兩類材料，同時(shí)因設(shè)計(jì)需求也會(huì)選用薄板和厚板。按照美國(guó)焊接標(biāo)準(zhǔn)體系，根據(jù)母材種類和板厚的不同需要選擇不同的弧焊焊接標(biāo)準(zhǔn)。低合金高強(qiáng)鋼弧焊執(zhí)行AWS D1.1，厚度小于3 mm的薄鋼板弧焊執(zhí)行AWS D1.3;不銹鋼與不銹鋼弧焊、不銹鋼與低合金高強(qiáng)鋼弧焊執(zhí)行AWS D1.6;厚度小于1.6 mm的薄鋼板對(duì)接焊縫執(zhí)行AWS D15.1;厚度小于3 mm的薄鋼板角焊縫焊接執(zhí)行AWS D15.1。

3 雙層不銹鋼車體結(jié)構(gòu)

3.1 車體總成

雙層不銹鋼客車車體總長(zhǎng)25 630 mm，為中部具有魚(yú)腹下沉的底層地板和上層地板的雙層結(jié)構(gòu)型式，是由不銹鋼板材和冷彎型鋼拼焊而成的筒型整體承載結(jié)構(gòu)，具有良好的防振、隔音效果和較好的防腐性能。車體主體由底架、側(cè)墻、車頂、端墻、上層地板組成，為使車體具有足夠的抗垂彎和抗扭轉(zhuǎn)能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要求底架橫梁、側(cè)柱和車頂彎梁三種承載件在車體的橫斷面上交圈，底架下層地板和中頂板均采用波紋形式，該結(jié)構(gòu)形式在不增加質(zhì)量的情況下，能有效提高車體的縱向剛度。側(cè)墻與底架、側(cè)墻與車頂?shù)墓羌苓B接采用電弧焊，側(cè)頂板與側(cè)墻、側(cè)墻板與底架的連接采用點(diǎn)焊，雙層車體斷面示意如圖1、圖2所示。

側(cè)墻與車頂?shù)墓羌苓B接主要通過(guò)車頂彎梁與側(cè)墻上邊梁的角焊連接，側(cè)頂板為無(wú)雨檐形式，與側(cè)墻的連接在大部分區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)焊焊接，無(wú)法點(diǎn)焊的區(qū)域采用弧焊。車頂與側(cè)墻的點(diǎn)焊連接形式如圖3所示。

側(cè)墻與底架的骨架連接主要通過(guò)側(cè)墻立柱與底架槽型上邊梁的角焊連接，側(cè)墻下墻板為平板，與底架的連接為點(diǎn)焊焊接，側(cè)墻與底架的連接形式如圖4所示。

上層地板位于車體魚(yú)腹段，構(gòu)成“ 筒型整體承載結(jié)構(gòu) ”的一部分，即在車端是單筒，在中部是上下兩層的雙筒。上層地板為鋁合金型材拼焊而成，與側(cè)墻的連接形式為鉚接連接。側(cè)墻上安裝有托梁，托梁與上層地板有一定的間隙，便于在橫向上小幅度調(diào)整安裝位置。上層地板通過(guò)哈克鉚釘與地板安裝托梁鉚接，連接形式如圖5所示。

3.2 底架組成

底架由端底架、底架側(cè)部、底層橫梁、底層地板、中梁和邊梁組成。邊梁斷面為槽型，縱向貫通，一位端底架、二位端底架和底架側(cè)部均與邊梁弧焊連接，端底架與邊梁的連接為嵌套式。中梁斷面為乙型，與端底架、中部橫梁、邊部橫梁采用弧焊連接。底架側(cè)板與側(cè)部骨架、中部橫梁與底層地板均采用點(diǎn)焊連接。

3.3 車頂組成

車頂由通長(zhǎng)側(cè)頂、中間高頂和兩端的平頂五部分焊接而成。側(cè)頂由小彎梁和側(cè)頂板點(diǎn)焊在一起，中頂板為厚1 mm的波紋板，波高12 mm，與“ 乙 ”型彎梁點(diǎn)焊連接，具有足夠的垂向和縱向剛度，取代車頂縱向梁。按照美國(guó)交通法規(guī)，在車頂設(shè)計(jì)了2個(gè)緊急逃生孔。

3.4 側(cè)墻組成

按總體設(shè)計(jì)要求，每個(gè)側(cè)墻有4個(gè)側(cè)門口，在門口處出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)斷開(kāi)，參與整體承載時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力升高和應(yīng)力集中。為降低應(yīng)力和減小應(yīng)力集中，增加側(cè)門柱和門口上橫梁的截面模量，并在上、下門角處增加補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)件。

側(cè)墻由側(cè)墻骨架和側(cè)墻板點(diǎn)焊而成，側(cè)墻骨架由多個(gè)窗口模塊和門口模塊通過(guò)弧焊連接。為防止試驗(yàn)加載產(chǎn)生塑性變形，在高壓應(yīng)力區(qū)設(shè)計(jì)成抗屈曲變形結(jié)構(gòu)。側(cè)墻板為120#的拉絲平板，在立柱之間內(nèi)襯M型補(bǔ)強(qiáng)件，縱向點(diǎn)焊間距均等，以提高側(cè)墻平面度和局部剛度，滿足外觀的美觀性要求及承載需求。

3.5 端墻組成

端墻由端墻板和端墻骨架點(diǎn)焊連接，端墻骨架由端梁、防撞柱、端角柱、橫梁和車鉤托梁拼焊而成，采用弧焊連接形成堅(jiān)固、穩(wěn)定的框架，防撞柱和端角柱貫穿端梁的上下面，通過(guò)坡口焊與端梁連接，提供足夠的抗剪力。

4 車體靜強(qiáng)度計(jì)算及方案改進(jìn)

4.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

依據(jù)APTA-PR-CS-S-034-99《客運(yùn)軌道車輛的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)》和49 CFR 238子部分C 《客運(yùn)設(shè)備具體要求》標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)執(zhí)行招標(biāo)技術(shù)條件的要求進(jìn)行車體靜強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算載荷工況如表5所示。

采用有限元分析軟件HyperMesh、ANSYS和Abaqus對(duì)雙層不銹鋼車體靜強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，采用HyperMesh軟件進(jìn)行有限元模型前處理，采用ANSYS求解器進(jìn)行線性分析，采用Abaqus求解器進(jìn)行非線性分析。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，整車模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔，點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧瑥?fù)雜結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元。車體有限元模型共計(jì)單元總數(shù)2 730 628，節(jié)點(diǎn)總數(shù)1 976 897。按照車鉤縱向壓縮、端梁縱向壓縮、對(duì)角架車、司機(jī)室端防撞柱彈塑性等多個(gè)載荷工況，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，除個(gè)別點(diǎn)外，車體各部位的母材和焊縫計(jì)算應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，車鉤縱向壓縮工況下的車體應(yīng)力云圖和底架變截面處應(yīng)力分別如圖6、圖7所示。

4.2 車體方案改進(jìn)

由于雙層不銹鋼車體截面模量的增大和整體結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，車體整體剛度提升。在超常載荷AW3工況下，車體一階垂向彎曲振動(dòng)頻率為7.63 Hz，與轉(zhuǎn)向架二系懸掛自振頻率的比值為4.8，但在計(jì)算過(guò)程中仍然存在底架邊梁區(qū)域和窗角區(qū)域等高應(yīng)力區(qū)，通過(guò)采用改變傳力路徑、增強(qiáng)連接區(qū)域節(jié)點(diǎn)支撐、優(yōu)化局部焊接結(jié)構(gòu)、將焊縫位置從高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移、提高車體材料屈服強(qiáng)度等級(jí)等方法，有效地降低了重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的應(yīng)力水平。通過(guò)對(duì)多種方案的分析計(jì)算并逐步改進(jìn)，車體的整體強(qiáng)度水平滿足APTA PR-CS-S-034-99標(biāo)準(zhǔn)要求。

計(jì)算結(jié)果顯示，車鉤壓縮3 560 kN+垂向載荷AW0工況下靠近底架邊梁內(nèi)補(bǔ)板開(kāi)孔邊緣處應(yīng)力值為334 MPa，如圖8所示，邊梁內(nèi)補(bǔ)板材質(zhì)選用高強(qiáng)度低合金鋼A588，許用應(yīng)力值為330 MPa。

經(jīng)分析，內(nèi)補(bǔ)板開(kāi)孔邊緣處計(jì)算應(yīng)力值超過(guò)許用應(yīng)力值4 MPa，綜合考慮，沒(méi)有采用增加內(nèi)補(bǔ)板的厚度或提升材料的屈服強(qiáng)度等級(jí)的方法，僅將內(nèi)補(bǔ)板開(kāi)孔尺寸減小了20 mm。計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)后內(nèi)補(bǔ)板開(kāi)孔邊緣處應(yīng)力值為320 MPa，如圖9所示，小于許用應(yīng)力值。

計(jì)算結(jié)果顯示，車鉤壓縮3 560 kN+垂向載荷AW0工況下靠近底架蓄電池箱開(kāi)口的下層窗口的上角應(yīng)力值為536 MPa，側(cè)墻板材質(zhì)選用高屈服強(qiáng)度等級(jí)的不銹鋼301L-1/2Hard，如圖10所示，許用應(yīng)力值為448 MPa。

為降低窗角處的計(jì)算應(yīng)力，將開(kāi)口形式的窗口立柱改為閉口的矩形鋼管，同時(shí)在窗角處增加乙型補(bǔ)強(qiáng)件，該件與窗口立柱、側(cè)墻板及窗上縱梁焊接，進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。改進(jìn)后，靠近底架蓄電池箱開(kāi)口的下層窗口的上角處應(yīng)力值為322 MPa，如圖11所示，小于許用應(yīng)力值。經(jīng)多次焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化，車體母材和焊縫的計(jì)算應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，車體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度要求。

5 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

按照表5中的載荷工況進(jìn)行了車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)最大加載能力為5 000 kN，可模擬各個(gè)工況載荷。車鉤區(qū)域壓縮載荷3 560 kN+垂向載荷AW0復(fù)合工況試驗(yàn)照片如圖12所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注了窗角、門角及底架變截面處等高應(yīng)力區(qū)域。底架邊梁內(nèi)補(bǔ)板開(kāi)孔邊緣處應(yīng)變片位置（143-UF-40-Q3-S）如圖13所示，第一種工況下該處應(yīng)力值為325 MPa，小于許用應(yīng)力值?？拷准苄铍姵叵溟_(kāi)口的下層窗口的上角處應(yīng)變片位置（340-SW-16-Q3-S）如圖14所示，第一種工況下該處應(yīng)力值為436 MPa，小于許用應(yīng)力值。試驗(yàn)結(jié)果表明，車體各點(diǎn)檢測(cè)應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，其靜強(qiáng)度滿足APTA-PR-CS-S-034-99《客運(yùn)軌道車輛的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)》和49 CFR 238子部分C《客運(yùn)設(shè)備具體要求》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6 結(jié)論

為了滿足車體強(qiáng)度和車體輕量化的要求，可以選用許用應(yīng)力較高的材料，如端部底架選用A710，側(cè)墻板選用301L-1/2Hard。鑒于鋼材種類的不同以及板厚的差別，弧焊標(biāo)準(zhǔn)的選用應(yīng)該根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍綜合考慮。底架橫梁、側(cè)柱和車頂彎梁三種承載件在車體橫斷面上交圈的結(jié)構(gòu)型式，能有效提高車體抗垂彎和抗扭轉(zhuǎn)能力。

文中提出的車體主體結(jié)構(gòu)傳力模式切實(shí)可行，經(jīng)反復(fù)優(yōu)化，有效地降低了窗角、門角、底架變截面處等重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的計(jì)算應(yīng)力。車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，車體強(qiáng)度滿足APTA-PR-CS-S-034-99《客運(yùn)軌道車輛的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)》和 CFR 49-238子部分C《客運(yùn)設(shè)備具體要求》標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)的工藝性也得到了相應(yīng)驗(yàn)證。

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