某軌道交通車輛鋁合金車頭設(shè)計(jì)研究

敬敏

（上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海 200245）

1 設(shè)計(jì)背景

軌道交通已經(jīng)成為各大城市緩解交通壓力舉措的首選，軌道交通作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的交通工具，備受各大城市的青睞，其運(yùn)行速度也在逐步提高。很多城市將軌道車輛的外形設(shè)計(jì)作為自己的城市名片，因此流線型車頭成為軌道車輛的首選，隨著車輛運(yùn)行速度的不斷提高，流線型車頭的氣動性能明顯優(yōu)于鈍體型車。車頭結(jié)構(gòu)主要包含車頭外罩和車頭骨架，作為車輛的控制中心，若發(fā)生事故，車頭結(jié)構(gòu)將受到?jīng)_擊載荷，車頭結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，但依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)需滿足對司機(jī)人身安全起到有效的保護(hù)作用，同時(shí)車頭結(jié)構(gòu)需滿足司機(jī)室其他設(shè)備部件的安裝需求。當(dāng)車頭結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和剛度等性能指標(biāo)時(shí)，通常會綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度、剛度等性能參數(shù)之間的關(guān)系，以輕量化為目標(biāo)對車頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。國內(nèi)的車頭外罩大量采用復(fù)合材料或者金屬材料，復(fù)合材料是由2種或2種以上的異質(zhì)、異性、異形的材料復(fù)合而成，包含增強(qiáng)體和基體2種組分，目前多數(shù)車頭外罩采用的是玻璃纖維增強(qiáng)樹脂材料，主要采用手工糊制或真空成型2種方法，可實(shí)現(xiàn)車頭外罩降低成本等。金屬材料主要包括鋁合金以及不銹鋼，采用焊接工藝拼接而成，不銹鋼車頭主要用在車頭曲面造型簡單的車輛上，鋁合金車頭主要用在車頭曲面造型復(fù)雜的車輛上。

2 鋁合金車頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金車頭作為車體重要組成部位，需滿足BS EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛的車體結(jié)構(gòu)要求-第1 部分：機(jī)車和客車（及貨車的替換法）》標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度要求，還為司機(jī)室前擋風(fēng)玻璃和內(nèi)部裝飾件、司機(jī)室門系統(tǒng)、司機(jī)室電氣設(shè)備部件及電纜等提供安裝接口。

2.1 車頭外罩設(shè)計(jì)

車頭外罩作為整輛車最具代表性的部分，車頭造型要求具備優(yōu)良的流線型以及美觀性，因此車頭外罩外形曲面造型較為復(fù)雜，本次設(shè)計(jì)采用CATIA軟件進(jìn)行曲面造型設(shè)計(jì)和工程實(shí)體化設(shè)計(jì)。車頭外罩采用滿足BS EN 573-3：2019《鋁和鋁合金-化學(xué)成分和鍛制產(chǎn)品的形狀-第3部分：化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)的5083系列鋁質(zhì)材料，此種系列材料化學(xué)成分見表1，其機(jī)械性能滿足BS EN 485-2標(biāo)準(zhǔn)的要求，熱處理按BS EN 515標(biāo)準(zhǔn)中H111物理狀態(tài)（回火級別）的要求進(jìn)行。車頭外罩均采用4mm厚度的5083-H111鋁質(zhì)板材，其相關(guān)性能參數(shù)見表2。5083系列鋁材被廣泛應(yīng)用在鋁合金軌道車輛的頭罩和墻板等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。車頭外罩設(shè)計(jì)受曲面成型模具當(dāng)量尺寸的限制，車頭外罩劃分為5個(gè)設(shè)計(jì)模塊，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。5個(gè)模塊全部采用國內(nèi)先進(jìn)的軌道交通用超塑熱成形技術(shù)制造成曲面模塊。據(jù)相關(guān)研究表明，超塑成形工藝可以顯著提高材料變形能力，降低成形壓力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的成形，使用超塑成形工藝可以制造出輕質(zhì)、高強(qiáng)、外形美觀、綠色環(huán)保的軌道交通用鋁合金構(gòu)件。通過對5083系列鋁材的微觀組織進(jìn)行觀測和檢測，以及材料在超塑成形后的微觀組織變化等，當(dāng)溫度控制在460～480℃，保壓氣壓在1.6～2.0MPa，最有利于5083系列鋁材的超塑成形。

圖1 車頭外罩整體結(jié)構(gòu)

表1 5083系列鋁合金材質(zhì)化學(xué)成分(%)

表2 5083鋁合金材質(zhì)主要機(jī)械性能

再利用工裝設(shè)備將五模塊拼焊成整個(gè)車頭外罩，焊接形式采用有反向背板的V形接頭對接焊縫，所有焊接要求滿足EN 15085：2007《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛及部件的焊接》標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 車頭骨架設(shè)計(jì)

車頭骨架作為車頭結(jié)構(gòu)的承載部位，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度需滿足BS EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。車頭骨架的主體承載結(jié)構(gòu)采用滿足BS EN 573-3標(biāo)準(zhǔn)的6005A系列和6082系列鋁材，此兩種系列材料化學(xué)成分見表3，其機(jī)械性能均滿足BS EN 1999-1-1標(biāo)準(zhǔn)中T6物理狀態(tài)（回火級別）的要求，相關(guān)的具體參數(shù)見表4，6005A系列和6082系列鋁材被廣泛應(yīng)用在鋁合金軌道車輛的底架、側(cè)墻、車頂和車頭骨架等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。同時(shí)車頭骨架需要為司機(jī)室其他部件提供安裝接口要求，以焊接小件的形式體現(xiàn)，焊接小件采用5083系列鋁材。

表3 6005A系列和6082系列鋁合金材質(zhì)化學(xué)成分(%)

表4 6005A系列和6082系列鋁合金材質(zhì)主要機(jī)械性能

車頭骨架采用4～10mm厚度的6005A系列空心型材和6082系列鋁板拼焊而成，骨架小件采用3～6mm厚度的5083系列鋁板，車頭骨架的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。骨架焊接形式采用角焊縫、雙角焊縫和V形接頭對接焊縫，同時(shí)所有的焊接要求滿足EN 15085標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 車頭骨架整體結(jié)構(gòu)

2.3 鋁合金車頭與車體裝配設(shè)計(jì)

鋁合金車頭作為車體組成的一部分，最終通過焊接方式與底架、側(cè)墻、車頂結(jié)構(gòu)合成為整個(gè)車體結(jié)構(gòu)。鋁合金車頭的外罩與骨架采用“井”字形排列的段焊角焊縫焊接形式，如圖3所示。鋁合金車頭與車體底架、車頂及側(cè)墻各部位采用與車頭骨架相同焊接形式，焊接完成后的車體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 車頭外罩與骨架焊接示意

圖4 車輛車體結(jié)構(gòu)

3 鋁合金車頭靜強(qiáng)度計(jì)算

3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算條件

根據(jù)整個(gè)車體的三維實(shí)體模型，利用ANSYS軟件，基于BS EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)，對整個(gè)車體進(jìn)行了靜強(qiáng)度計(jì)算，本文僅針對車頭部分的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算要求，主要的載荷工況見表5，邊界條件如圖5所示。要求在所有計(jì)算工況作用下，車頭各部件的應(yīng)力均不得大于部件所用材料的許用應(yīng)力，部件材料參數(shù)見表6。

圖5 邊界條件

表5 主要載荷工況

表6 車頭部件材料性能參數(shù)

3.2 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

各計(jì)算工況作用下，車頭的應(yīng)力云圖如圖6和圖7所示（圖中應(yīng)力單位為MPa），車頭的最大應(yīng)力情況如下：

圖6 工況1應(yīng)力云圖

圖7 工況2應(yīng)力云圖

計(jì)算工況1：最大應(yīng)為113.560MPa，發(fā)生在車頭骨架上門角處。

計(jì)算工況2：最大應(yīng)為130.946MPa，發(fā)生在車頭骨架上門角處。

根據(jù)有限元分析計(jì)算，在靜強(qiáng)度的計(jì)算工況作用下，車頭結(jié)算結(jié)果詳見表7，表中安全系數(shù)為許用應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力的比值。由表7可知，車頭部件的安全系數(shù)均大于1.0，靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 車頭計(jì)算結(jié)果匯總

4 結(jié)語

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析結(jié)論，本車頭設(shè)計(jì)完全滿足軌道車輛的設(shè)計(jì)要求，為駕駛員提供安全的駕駛空間。鋁合金車頭采用4mm厚度金屬材料，相比于采用6～8mm厚度玻璃鋼等非金屬材料的車頭，車頭重量降低約5%，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)輕量化要求，且在后期比玻璃鋼材料更易于回收處理。本鋁合金車頭設(shè)計(jì)可為后續(xù)平臺項(xiàng)目的車頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。