王 瑜，田愛(ài)琴，王玉艷，張寅河，許 嬌

（1. 中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東青島 266111；2. 大連交通大學(xué)，遼寧大連 116028）

0 背景

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與生活節(jié)奏的加快，軌道交通已成為城市交通中重要的運(yùn)輸工具。我國(guó)各大城市在快速推進(jìn)城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)的過(guò)程中，已將快速推進(jìn)城市中心區(qū)軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的目光向全市域軌道交通系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)擴(kuò)展，并將其作為推進(jìn)城市合理規(guī)劃、推進(jìn)城市均衡發(fā)展與建設(shè)的重要一環(huán)。因而在繼續(xù)大力發(fā)展城市中心區(qū)的軌道交通系統(tǒng)（地鐵、輕軌等）建設(shè)的同時(shí)，已積極開(kāi)展市域軌道交通系統(tǒng)與城市中心區(qū)軌道交通系統(tǒng)的有效連接與互補(bǔ)、互動(dòng)問(wèn)題研究，并重點(diǎn)考慮如何在已建成的城市中心區(qū)地鐵網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展市域快速軌道交通系統(tǒng)的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組的運(yùn)營(yíng)速度已達(dá)到 380 km/h 速度級(jí)，軌道車(chē)輛的高速運(yùn)行必然產(chǎn)生兼顧車(chē)體強(qiáng)度、剛度和輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。從車(chē)輛的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)看，目前以地鐵 A 型車(chē)的結(jié)構(gòu)尺寸需求居多，亦有采用地鐵 B型車(chē)結(jié)構(gòu)尺寸的需求。速度 140 km/h 市域快軌電動(dòng)客車(chē)以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)A型地鐵車(chē)輛、和諧號(hào) CRH6 型城際動(dòng)車(chē)組為技術(shù)基礎(chǔ)，進(jìn)行適用性開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足“大載客量、快起快停、快速乘降”的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)市域軌道交通系統(tǒng)與城市中心區(qū)軌道交通系統(tǒng)的有效連接與互補(bǔ)、互動(dòng)。

1 基本結(jié)構(gòu)

本文所述的一種軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體側(cè)墻結(jié)構(gòu)，采用大型中空鋁合金擠壓型材、鋁合金板材組焊而成，主要包括鋁合金側(cè)墻型材 1～5，上邊梁型材 6，門(mén)立柱組成 7、8，窗立柱 9，門(mén)角補(bǔ)強(qiáng)塊 10、11 等部件（圖1、圖2）。鋁合金側(cè)墻型材 1～5 和上邊梁型材 6，均采用中空鋁合金擠壓型材，車(chē)體長(zhǎng)度方向型材之間采用連續(xù)焊接；側(cè)墻和車(chē)頂之間內(nèi)外側(cè)及側(cè)墻和底架邊梁之間外側(cè)均采用連續(xù)焊接；側(cè)墻與底架邊梁內(nèi)側(cè)采用分段焊接。側(cè)墻與底架、車(chē)頂、端墻等大部件采用焊接方式聯(lián)接成完整的薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，整體呈流線(xiàn)型，符合現(xiàn)代軌道車(chē)輛的設(shè)計(jì)理念。

側(cè)墻型材 1～3，提供了車(chē)窗安裝面，在特定位置設(shè)置內(nèi)置安裝滑槽，滿(mǎn)足單元組合式整體車(chē)窗、盲窗的安裝。側(cè)墻型材 4、5，在特定位置設(shè)置特定結(jié)構(gòu)尺寸的滑槽結(jié)構(gòu)，提供座椅等車(chē)內(nèi)設(shè)備的安裝面。上邊梁型材 6 的內(nèi)外輪廓在車(chē)頂型材和側(cè)墻型材 1 的圓弧過(guò)渡處為變截面型材結(jié)構(gòu)，變截面輪廓過(guò)渡圓滑，滿(mǎn)足速度 140 km/h 市域客車(chē)對(duì)流線(xiàn)型和空氣動(dòng)力學(xué)的要求。上邊梁型材 6 設(shè)置一個(gè)雨檐 61，下雨時(shí)，雨水沿凹槽流到列車(chē)端部排出，雨檐 61 與車(chē)頂圓弧過(guò)渡，減小了運(yùn)行空氣阻力，同時(shí)提高了客車(chē)車(chē)體外觀效果；上邊梁型材 6 設(shè)置 2 個(gè)特定結(jié)構(gòu)尺寸及定位尺寸的滑槽 62，用于提供安裝車(chē)門(mén)、各種內(nèi)裝設(shè)備所需的安裝面；上邊梁型材 6 設(shè)置了門(mén)角補(bǔ)強(qiáng)預(yù)留空間 63，在門(mén)角強(qiáng)度不夠的情況下，可以在預(yù)留空間 63 處增加門(mén)角補(bǔ)強(qiáng)，既可提高門(mén)角的強(qiáng)度，又不會(huì)影響車(chē)門(mén)的安裝。門(mén)立柱7、8采用中空鋁合金擠壓型材與鋁合金板材組焊而成，提供車(chē)門(mén)、門(mén)區(qū)電氣設(shè)備的安裝面，滿(mǎn)足門(mén)區(qū)強(qiáng)度和功能的要求。窗立柱 9 采用 L 形鋁合金型材，連接側(cè)墻型材 1～3 和門(mén)立柱 7、8，并在車(chē)體垂向起到支撐作用，車(chē)窗安裝后，使側(cè)墻在窗區(qū)達(dá)到密封。門(mén)角補(bǔ)強(qiáng)塊 10、11 設(shè)置在應(yīng)力集中較大的門(mén)角處，用于提高門(mén)角處的強(qiáng)度。

圖1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 側(cè)墻斷面示意圖

2 有限元計(jì)算和計(jì)算結(jié)果分析

由于整個(gè)車(chē)體結(jié)構(gòu)為鋁板、梁、型材焊接結(jié)構(gòu)，故基本結(jié)構(gòu)如側(cè)墻、車(chē)頂及端墻均按 4 節(jié)點(diǎn)薄板單元離散；底架枕梁、牽引梁、橫梁等按 4 節(jié)點(diǎn)薄板單元離散，型材地板薄板與梁組合離散，平均網(wǎng)格邊長(zhǎng)為20 mm，板單元大部分采用四邊形、4 節(jié)點(diǎn)單元，部分采用三角形、3 節(jié)點(diǎn)單元；整車(chē)劃分后的網(wǎng)格單元數(shù)為253.1 萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù) 227.8 萬(wàn)個(gè)。有限元離散模型見(jiàn)圖3。

圖3 車(chē)體有限元模型視圖

模型中坐標(biāo)軸的方向?yàn)椋很?chē)體縱向?yàn)閄軸，橫向?yàn)閅軸，垂向?yàn)閆軸。

本文所述的軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體側(cè)墻結(jié)構(gòu)和與其連接的車(chē)頂、底架、端墻均采用 6A01-T5 鋁型材，彈性模量 69 GPa，泊松比 0.3，母材區(qū)許用應(yīng)力 205 MPa，焊接區(qū)許用應(yīng)力 120 MPa。

依據(jù) BS EN 12663 : 2010《鐵路應(yīng)用—鐵路車(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)要求》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“EN 12663 標(biāo)準(zhǔn)”）的有關(guān)要求，確定了速度 140 km/h 市域車(chē)中間車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的載荷條件、計(jì)算工況和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

利用有限元方法求解 9 種工況下側(cè)墻的應(yīng)力值，對(duì)該車(chē)體的靜強(qiáng)度、模態(tài)進(jìn)行了分析計(jì)算，針對(duì)側(cè)墻門(mén)角、窗角等易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)（表1）。

按照 EN 12663 標(biāo)準(zhǔn)確定的許用應(yīng)力安全系數(shù)為1.15；只考慮垂向載荷時(shí)許用應(yīng)力的安全系數(shù)取 1.15；當(dāng)車(chē)體承受其他組合載荷工況時(shí)，按照不超出材料的屈服極限評(píng)定。表1所示的側(cè)墻有限元靜強(qiáng)度分析結(jié)果表明：該車(chē)側(cè)墻各個(gè)工況及其組合工況以及 AW3 超員載荷與各載荷組合作用時(shí)的最大 Mises 應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力或屈服極限，該車(chē)側(cè)墻滿(mǎn)足 EN 12663 標(biāo)準(zhǔn)的靜強(qiáng)度要求。具體見(jiàn)圖4 各工況下側(cè)墻局部 Mises 應(yīng)力分布云圖。

為了準(zhǔn)確研究車(chē)體側(cè)墻等部位的剛度，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表1 9 種工況下靜強(qiáng)度等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

圖4 9 種工況側(cè)墻局部 Mises 應(yīng)力分布云圖

表2 車(chē)體模態(tài)分析振型與頻率 Hz

車(chē)體的剛度按照 GB/T 7928-2003《地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件》規(guī)定的避開(kāi)轉(zhuǎn)向架自振頻率來(lái)評(píng)判。在 AW2 定員工況下，車(chē)體底架下邊梁中央斷面處垂直撓度δ為9.9 mm，相當(dāng)彎曲剛度為EJ= 13.1×108N · m2。通過(guò)模態(tài)分析結(jié)果，該車(chē)在結(jié)構(gòu)的 2 階彎曲頻率為 16.4 Hz，整備狀態(tài)為 9.3 Hz，該數(shù)值與以前生產(chǎn)的運(yùn)營(yíng)車(chē)輛模態(tài)基本一致，故滿(mǎn)足 GB/T 7928-2003 中要求的避開(kāi)轉(zhuǎn)向架的自振頻率，該車(chē)剛度和模態(tài)滿(mǎn)足要求。

3 結(jié)論

本文所述的一種軌道車(chē)輛側(cè)墻鋁合金擠壓型材結(jié)構(gòu)，側(cè)墻型材由中空鋁型材沿車(chē)體縱向擠壓而成，有效地降低了側(cè)墻的重量，適應(yīng)輕量化的需求，提高了車(chē)輛承載能力；側(cè)墻型材均沿縱向延伸，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化，降低了制造成本；在充分考慮結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，通過(guò)鋁合金擠壓型材中內(nèi)置、外置的特定滑槽結(jié)構(gòu)，提供車(chē)窗、車(chē)門(mén)、座椅等各種設(shè)備的安裝面，預(yù)留足夠門(mén)角補(bǔ)強(qiáng)空間，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的整體承載能力，適用于軌道車(chē)輛側(cè)墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

依據(jù) EN 12663 標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了 9 種工況下的強(qiáng)度和剛度。通過(guò)有限元靜強(qiáng)度分析，速度 140 km/h 市域車(chē)的側(cè)墻結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、剛度和模態(tài)均滿(mǎn)足相關(guān)要求。