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(yùn)能和行車安全的基礎(chǔ)，而車體靜強(qiáng)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(jì)過程中應(yīng)進(jìn)行車體靜強(qiáng)度分析和試驗(yàn)，根據(jù)分析和試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)是否應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以保證最終通過相關(guān)驗(yàn)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(qiáng)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(xiàng)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(yàn)方法》外，絕大多數(shù)項(xiàng)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(qiáng)度分析和試驗(yàn)，為車體設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)支撐，是本文研究的重點(diǎn)。

1 車體靜強(qiáng)度分析與試驗(yàn)的意義

軌道客車車體焊縫眾多，各部位的焊縫是強(qiáng)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(qiáng)度分析報告和車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)報告中體現(xiàn)，并且需要在車體量產(chǎn)前加以解決。

靜強(qiáng)度分析的目的：第一是積累主動性經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將為各類不同車型設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

靜強(qiáng)度試驗(yàn)的目的：對靜強(qiáng)度分析報告和改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)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(jì)閉環(huán)管理。

2 車體靜強(qiáng)度分析與試驗(yàn)準(zhǔn)備

車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)需要在車輛試制階段完成，一般會選兩臺完工車體進(jìn)行試驗(yàn)。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(qiáng)度好、工藝性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

車體靜強(qiáng)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(jìn)行網(wǎng)格離散，對于重要部位應(yīng)進(jìn)行局部細(xì)劃。整車共劃分1 047 000余個節(jié)點(diǎn)，1 234 000余個單元。

3 靜強(qiáng)度分析與試驗(yàn)工況

BS EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)中，針對車體靜強(qiáng)度分析與試驗(yàn)涉及的工況表述較詳盡，但也相當(dāng)繁雜，達(dá)20多種，但并非所有項(xiàng)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(qiáng)度分析與試驗(yàn)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(diǎn)，有些工況無論是否被用戶指定都必須進(jìn)行分析與試驗(yàn)，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(qiáng)度分析與試驗(yàn)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(diǎn)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(qiáng)度分析和試驗(yàn)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(jì)以及強(qiáng)度驗(yàn)證進(jìn)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(jī)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(yàn)證車體強(qiáng)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(yàn)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(jì)和強(qiáng)度驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)中，以便各設(shè)計(jì)單位和驗(yàn)證機(jī)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(yàn)工況需重新進(jìn)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(jì)改進(jìn)的指導(dǎo)作用

如果車體靜強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度余量(安全系數(shù)1.15以上)，以避免靜強(qiáng)度試驗(yàn)中出現(xiàn)較多的不合格項(xiàng)而導(dǎo)致大范圍設(shè)計(jì)更改?，F(xiàn)以P-Ⅲ類A型鋁合金地鐵車為例，解析各種改進(jìn)方案。

5.1 設(shè)計(jì)階段

車輛處于設(shè)計(jì)階段(還未投產(chǎn)時)，如果車體靜強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)，因此，設(shè)計(jì)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(qiáng)度由125 MPa提高到260 MPa。然后再次進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，直至滿足強(qiáng)度要求。

5.1.2 更改材料厚度

例如，分析顯示側(cè)墻窗角強(qiáng)度不足，而原窗角型材上下壁厚一致，則設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jìn)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(jì)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(qiáng)度分析顯示該處安全系數(shù)小于1，強(qiáng)度明顯不足，所以端墻設(shè)計(jì)改進(jìn)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(jìn)后安全系數(shù)大幅提高，滿足了強(qiáng)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(jì)中較為常用，但焊縫強(qiáng)度要比母材強(qiáng)度低很多，會導(dǎo)致車體靜強(qiáng)度出現(xiàn)問題，所以當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)板

如果上述方案不合適，還可以考慮增加補(bǔ)強(qiáng)板。這種方法靈活多變，不拘一格。因?yàn)橛蟹篮拇嬖?，為補(bǔ)強(qiáng)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(jì)性與實(shí)用性，所以在設(shè)計(jì)改進(jìn)中應(yīng)用較多(見圖4)。

圖4 窗角補(bǔ)強(qiáng)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(qiáng)度分析報告已合格，但車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)仍可能出現(xiàn)不合格情況。如果試驗(yàn)中出現(xiàn)不合格項(xiàng)，表明驗(yàn)證未通過，仍需要進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

后續(xù)未投產(chǎn)車體可以按照設(shè)計(jì)階段的改進(jìn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。設(shè)計(jì)改進(jìn)可能會有多種選擇，但是已完成的兩輛試驗(yàn)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(jìn)，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(bǔ)強(qiáng)板方式。

6 結(jié)語

從BS EN 12663-1標(biāo)準(zhǔn)中選擇合適工況進(jìn)行車體靜強(qiáng)度分析與試驗(yàn)是保證其結(jié)果真實(shí)、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(yàn)證結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)是難點(diǎn)所在，設(shè)計(jì)者在應(yīng)用以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的同時，也應(yīng)注重實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，需要在保證車體強(qiáng)度的條件下，因地制宜和靈活應(yīng)用改進(jìn)方法。