郎艷

【摘 要】本文介紹了160km/h城際（市域）電動(dòng)車組鋁合金車體的材料以及車體主要部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過有限元分析以及靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證了車體結(jié)構(gòu)的合理性。

【關(guān)鍵詞】車體；鋁合金；結(jié)構(gòu)；材料；有限元；試驗(yàn)

0 前言

160km/h城際（市域）電動(dòng)車組運(yùn)行速度介于地鐵和城際動(dòng)車組之間，主要連接城郊（如城市外環(huán)、衛(wèi)星城、城市遠(yuǎn)郊）、相鄰的城市或地區(qū)（如旅游景點(diǎn)、機(jī)場等）是我國城鎮(zhèn)化加速發(fā)展中解決交通擁堵問題的重要交通工具。

大連機(jī)車自主知識產(chǎn)權(quán)、自主研發(fā)的160km/h城際（市域）電動(dòng)車組是瞄準(zhǔn)后續(xù)市場所需提前做的技術(shù)儲備項(xiàng)目。160km/h城際（市域）電動(dòng)車組為A型鼓型鋁合金車體，采用大斷面鋁合金擠壓型材焊接整體承載結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻、頂棚及司機(jī)室等整體模塊組成，能夠承受垂向、縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)等載荷。司機(jī)室端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用吸能結(jié)構(gòu)，碰撞滿足EN15227標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 車輛基本技術(shù)參數(shù)

1.1 列車編組

城際（市域）電動(dòng)車組一般建議六輛列車編組，列車編組型式、編組列車是否需要兩列或多列重聯(lián)運(yùn)營等可以由買方根據(jù)實(shí)際運(yùn)營情況確定，例如也可以定義為八輛編組的型式。

160公里/小時(shí)城際（市域）電動(dòng)車組為研發(fā)項(xiàng)目，列車采用兩動(dòng)一拖編組方式，分為不同配置的三種車型。三種車型都基于一個(gè)車型平臺進(jìn)行研發(fā)，通過變更車門、座椅及內(nèi)部裝飾等配置，完成三個(gè)車型研發(fā)。

160km/h城際（市域）電動(dòng)車組項(xiàng)目車輛編組形式為：

-Mc1 + Tp + Mc2-

其中，Mc1為帶司機(jī)室的動(dòng)車，Tp為帶受電弓的拖車，Mc2為帶司機(jī)室的動(dòng)車，+為半永久性牽引桿，-為半自動(dòng)車鉤。

1.2 車體主要參數(shù)

160km/h城際（市域）電動(dòng)車組項(xiàng)目車輛車體的主要參數(shù)如表1。

2 車體結(jié)構(gòu)材料

鋁合金材料以其重量輕、耐腐蝕性高、易于焊接和具有抗拉及屈服強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)成為鐵路機(jī)車車輛制造業(yè)中的理想材料已在業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用。160km/h城際（市域）電動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)材料主要采用6000、7000系列時(shí)效硬化型鋁合金型材及板材，其中底架（包括枕梁及車鉤座）、車頂、側(cè)墻均采用大型斷面鋁合金型材制造，材質(zhì)為 EN AW-6005A-T6、 EN AW-7005-T6。端墻、牽引梁及枕梁上下蓋板及筋板采用板、梁結(jié)構(gòu)制造，板材材質(zhì)為EN AW-6082-T6（51）和EN AW-7020-T6（51）。所用型材、棒材及板材材質(zhì)化學(xué)成分滿足EN573-3或者GB/T 3190標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

3 車體結(jié)構(gòu)主要部件

160公里/小時(shí)城際（市域）電動(dòng)車組為A型鋁合金車體，采用大斷面鋁合金擠壓型材焊接整體承載結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、頂棚、側(cè)墻及司機(jī)室等整體模塊主要部件組成（如圖1所示）。鋁合金車體結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)EN12663-2000《鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》類型歸屬EN12663中的P-II，能夠承受垂直、縱向拉伸、縱向壓縮、扭轉(zhuǎn)、自重、牽引力、橫向力、制動(dòng)力等動(dòng)、靜載荷，在使用期限30年內(nèi)不發(fā)生永久變形和疲勞損傷，并具有足夠的剛度和強(qiáng)度，車體可承受的縱向壓縮和拉伸載荷分別不低于1200kN和960kN。

3.1 底架裝配

底架裝配是由前端吸能區(qū)、枕梁裝配、牽引梁裝配、底架邊梁、端梁、鋁地板裝配等部件組成（如圖2所示）。底架是車體結(jié)構(gòu)中重要承載部分，它不僅要承受安裝在底架上的所有設(shè)備和車內(nèi)所有設(shè)備以及乘客的重量，同時(shí)傳遞車輛的牽引力和制動(dòng)力并承受運(yùn)行過程中的彎曲、扭轉(zhuǎn)的各種復(fù)雜載荷，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否合理直接影響整車的強(qiáng)度以及行車安全問題。兩根通長型材的底架邊梁貫穿底架兩側(cè)與鋁地板型材采用搭接方式組焊成形。前端吸能模塊、I位端牽引梁模塊、II位端牽引梁模塊以及枕梁模塊分別與邊梁和地板型材焊接共同構(gòu)成底架裝配。

1.前端吸能區(qū)；2.牽引梁裝配；3.枕梁裝配；4.底架邊梁；5.鋁地板裝配；6.端梁

3.2 側(cè)墻裝配

側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用分塊模塊化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度、剛度高，自身質(zhì)量小，外表美觀（如圖3所示）。

側(cè)墻裝配由分塊側(cè)墻模塊構(gòu)成，其中每塊分塊側(cè)墻模塊由五塊大斷面中空擠壓型材和門立柱組成構(gòu)成側(cè)墻模塊。五塊側(cè)墻型材之間采用插接接口形式之后進(jìn)行焊接并在兩側(cè)焊接門立柱共同構(gòu)成側(cè)墻模塊。門立柱是型材拉彎結(jié)構(gòu)，與側(cè)墻外輪廓曲線一致，保證側(cè)墻門強(qiáng)度的同時(shí)，提高側(cè)墻外觀質(zhì)量，通過在門角處焊接弧形的門角組成降低門立柱與底架以及頂棚焊縫處的應(yīng)力，避免應(yīng)力集中。帶有窗口的側(cè)墻模塊采用機(jī)械加工方法來加工實(shí)現(xiàn)，為避免窗角處應(yīng)力集中，此結(jié)構(gòu)均采用圓弧過渡形式。

3.3 頂棚裝配

頂棚裝配由空調(diào)平臺、中頂組成、側(cè)頂組成等部件組成?？照{(diào)平臺采用模塊化設(shè)計(jì)，通用在每種車型的頂棚裝配中。五塊中空擠壓型材以插接形式對接后焊接，兩端焊接堵板并在滿足空調(diào)安裝的相應(yīng)的位置焊接空調(diào)安裝座共同構(gòu)成空調(diào)平臺模塊?？照{(diào)平臺和中頂組成分別與通長的側(cè)頂型材組焊后構(gòu)成具有一定強(qiáng)度和剛度的頂棚裝配。在頂棚裝配設(shè)計(jì)中充分考慮風(fēng)道、扶手、客室燈具、頂棚內(nèi)裝等頂部設(shè)備的吊裝進(jìn)行頂棚型材斷面設(shè)計(jì)，使得滑槽布置合理，保證強(qiáng)度的同時(shí)，減少型材重量，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的理念。

3.4 端墻裝配

端墻裝配由端立柱、橫梁、加強(qiáng)梁及蒙皮組成（如圖4所示）。端立柱、橫梁及加強(qiáng)梁均為擠壓鋁合金型材與板材蒙皮組焊后構(gòu)成端墻裝配。端立柱和橫梁的布置必須滿足客室端部凈通過和貫通道的安裝要求。端墻裝配分別與底架、側(cè)墻裝配、頂棚裝配組焊后成為一體，能夠滿足列車連掛載荷要求，保證車體在各種載荷的作用下具有足夠的剛度和強(qiáng)度。

3.5 司機(jī)室

司機(jī)室由整體玻璃鋼外罩和內(nèi)置鋁結(jié)構(gòu)骨架組成（如圖5所示），玻璃鋼外罩和鋁結(jié)構(gòu)骨架之間采用粘接和螺栓把接兩種形式固定。組成司機(jī)室鋁結(jié)構(gòu)骨架的梁子為擠壓鋁合金型材，梁子加工后拼焊構(gòu)成整體司機(jī)室鋁骨架模塊。從外觀上看司機(jī)室車頭整體曲面弧度合理、流暢且美觀，內(nèi)部鋁結(jié)構(gòu)骨架模塊焊接到車體上支撐玻璃鋼外罩及司機(jī)室車門，具有足夠的強(qiáng)度，從而最大限度地保證司乘人員的人身安全。

4 有限元分析

利用有限元分析的方法對160km/h城際（市域）電動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)驗(yàn)證。

考慮到車體的底架與牽引梁、枕梁的連接方式的特點(diǎn)，在建立車體有限元模型時(shí)，采用剛性單元來模擬車體的底架與牽引梁、枕梁的焊接關(guān)系；根據(jù)車體的受力狀況，采用位移主-從關(guān)系來模擬車體底架與牽引梁、枕梁的受力關(guān)系。根據(jù)有限元網(wǎng)格劃分軟件對車體進(jìn)行有限元離散，160km/h城際（市域）電動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)的離散模型中單元總數(shù)為2015067個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1024446個(gè)，在離散模型的基礎(chǔ)上利用軟件進(jìn)行車體有限元分析。

各種工況下的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的應(yīng)力均小于該部位材料的許用應(yīng)力，滿足EN-12663-2000標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于強(qiáng)度的要求，在垂直靜載荷設(shè)計(jì)載荷條件下，車體中心線上邊梁的垂向位移為7.82mm，小于車輛定距的1‰，因此該車剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

模態(tài)分析結(jié)果為車體結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲振動(dòng)頻率為15.25Hz，一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率為17.06Hz；整備狀態(tài)（AW0）車體結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲振動(dòng)頻率為9.57Hz，一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率為11.53Hz；超員狀態(tài)（AW3）車體結(jié)構(gòu)的一階垂向彎曲振動(dòng)頻率為6.19Hz，一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率為9.22Hz。

因此，160公里/小時(shí)城際（市域）電動(dòng)車組車體的模態(tài)分析滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)布局與材料選擇有針對性，設(shè)計(jì)科學(xué)合理。

5 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

2015年9月，160km/h城際（市域）電動(dòng)車組鋁合金車體鋁結(jié)構(gòu)順利制造完成，之后對車體鋁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且與有限元分析結(jié)果基本一致。

6 結(jié)束語

160km/h城際（市域）電動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，為該新車型的設(shè)計(jì)及應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。城際（市域）電動(dòng)車組能夠涵蓋市域快軌交通的速度需求，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道交通在不同區(qū)域的全覆蓋，將會成為城市軌道交通發(fā)展的趨勢，具有可觀的前景。

[責(zé)任編輯：王楠]