毛哲騫

【摘要】鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、擠壓性能好、焊接性及加工性能優(yōu)良等特點(diǎn)，已經(jīng)成為高速列車(chē)動(dòng)車(chē)組車(chē)體生產(chǎn)的主導(dǎo)材料。本文介紹了動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路、強(qiáng)度要求以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。依據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)要求，利用有限元法對(duì)車(chē)體強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果顯示車(chē)體結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)車(chē)組；鋁合金車(chē)體；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度

一、前言

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

二、車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）概述

車(chē)體承載結(jié)構(gòu)采用與車(chē)體基本等長(zhǎng)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(chē)頂、端墻、司機(jī)室結(jié)構(gòu)等組成。各大部件均為長(zhǎng)大型材拼焊而成。焊接接頭采用對(duì)接和搭接的連接方式。車(chē)體強(qiáng)度滿(mǎn)足EN12663標(biāo)準(zhǔn)PⅡ級(jí)要求；車(chē)體的焊接執(zhí)行EN15085標(biāo)準(zhǔn)。車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命不小于30年或1200萬(wàn)公里。

（二）底架設(shè)計(jì)

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(chē)體縱向剛度。底架兩端為底架端部結(jié)構(gòu)，集成多個(gè)系統(tǒng)部件的接口，以減輕重量。中間車(chē)底架組成（俯視）見(jiàn)圖1。

（三）車(chē)頂設(shè)計(jì)

車(chē)頂由車(chē)頂型材、端部過(guò)渡連接型材等構(gòu)成，提供空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)口及車(chē)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(jì)并采用弧斷面，利于車(chē)頂排水并有益于車(chē)頂縱向剛度的提高。在有受電弓的拖車(chē)車(chē)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(chē)頂結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

（四）側(cè)墻設(shè)計(jì)

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(chē)側(cè)墻的外部輪廓及型材斷面組成均相同。車(chē)門(mén)兩側(cè)焊有門(mén)立柱用于補(bǔ)強(qiáng)及安裝塞拉門(mén)設(shè)備。門(mén)角、窗角等高應(yīng)力區(qū)設(shè)大圓弧過(guò)渡，側(cè)墻鋁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

（五）端墻設(shè)計(jì)

端墻主要由端墻板、兩側(cè)端角柱、彎梁組成，端門(mén)上角采用大圓角過(guò)渡并設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中并提高強(qiáng)度。如圖4所示。

三、分析計(jì)算

（一）車(chē)體強(qiáng)度

結(jié)合車(chē)體結(jié)構(gòu)類(lèi)型，選取受電弓車(chē)（整備重量最大）及頭車(chē)兩種車(chē)體進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：EN12663標(biāo)準(zhǔn)中PⅡ等級(jí)載荷工況的和氣密載荷±4000Pa要求。車(chē)體強(qiáng)度分別進(jìn)行仿真分析，在各個(gè)強(qiáng)度工況作用下，應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，車(chē)體靜強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。主要的分析工況見(jiàn)表1。

（二）車(chē)體疲勞強(qiáng)度

車(chē)體疲勞計(jì)算工況共計(jì)3種，具體見(jiàn)表2，在各疲勞載荷工況作用下，車(chē)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(mǎn)足疲勞強(qiáng)度要求。

四、結(jié)語(yǔ)

動(dòng)車(chē)組車(chē)體采用輕質(zhì)鋁合金材質(zhì)，是基于車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)的思路。車(chē)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(qiáng)度。本文依據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)和《200km/h及以上速度級(jí)鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》，對(duì)車(chē)體強(qiáng)度進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，并結(jié)合靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)車(chē)體承載特性進(jìn)行了驗(yàn)證，為系統(tǒng)掌握高速動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體設(shè)計(jì)技術(shù)提供了理論依據(jù)。

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