不銹鋼地鐵車單、雙層板結(jié)構(gòu)分析

李剛

摘 要： 闡述了不銹鋼車體單、雙層結(jié)構(gòu)的基本形式，并對兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，通過實(shí)際應(yīng)用將單、雙層板綜合使用，將各自優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮。

關(guān)鍵詞：車體鋼結(jié)構(gòu);板梁結(jié)構(gòu);SUS301L不銹鋼

1 ? 前言

不銹鋼地鐵車輛的車體部分是由底架、側(cè)墻、端墻和車頂構(gòu)成的薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)。車體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度以承受車輛運(yùn)用過程中的各種載荷。在確保有足夠的強(qiáng)度和剛度的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化。

2 ? 結(jié)構(gòu)介紹與分析

不銹鋼車體的材料種類、結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了車體的輕量化水平。在保證一定的車體強(qiáng)度、剛度要求的前提下“薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)”被公認(rèn)為實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)輕量化的唯一有效途徑。由于鋼材密度較高且加工工藝限制，無法采用鋁合金車體的閉口型腔式結(jié)構(gòu)，因此“板梁組焊結(jié)構(gòu)”就是鋼車體的基本結(jié)構(gòu)思路，有關(guān)不銹鋼板梁結(jié)構(gòu)主要有以下兩種形式。

2.1 單層外板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

為了提高車體強(qiáng)度同時(shí)又要實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的要求，車體主要是選用高強(qiáng)度的SUS301L中MT、HT材料[1]，有關(guān)301L不銹鋼各種調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的強(qiáng)度見下表：

其中車體主要承載構(gòu)件中底架邊梁、側(cè)墻邊梁、立柱、側(cè)墻“外板補(bǔ)強(qiáng)”均選用HT、ST級別，其它強(qiáng)度要求不高的區(qū)域采用DLT級別。由于側(cè)墻屬于外露部分，既要滿足強(qiáng)度同時(shí)還要兼顧美觀效果，因此減少側(cè)墻外板自由區(qū)域（梁、柱之外的部分）是唯一途徑。其中通過適當(dāng)?shù)脑黾恿骸⒅拿芏?，是一種有效的方法，既可以提高整體強(qiáng)度也增加了剛度。但是考慮輕量化的前提下，在承受載荷較小的區(qū)域，可將梁的斷面適當(dāng)改進(jìn)，其目的主要是提高外墻板的剛度，此補(bǔ)強(qiáng)梁采用0.8mm厚的HT冷軋型材，并將補(bǔ)強(qiáng)梁與墻板點(diǎn)焊一起，此種結(jié)構(gòu)就是所謂的單層外板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，見圖1。單層外板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是墻板仍保留一部分自由區(qū)域，即1.5mm厚度區(qū)。這種結(jié)構(gòu)制造成本低、工藝簡單，材料強(qiáng)度高、型材剛度大、補(bǔ)強(qiáng)效果好、可根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果選擇補(bǔ)強(qiáng)位置和型材形狀補(bǔ)強(qiáng)針對性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)最大輕量化的同時(shí)確保車體承載結(jié)構(gòu)具有無限壽命。但是由于此結(jié)構(gòu)不能完全將墻板自由區(qū)完全覆蓋，當(dāng)車體在后續(xù)焊接過程中不斷產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，因此在沒有補(bǔ)強(qiáng)梁的區(qū)域仍然有表面不平的現(xiàn)象，其美觀度受到了一定影響。

2.2 雙層外板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

為了克服單層外板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的缺陷，在十多年前國外車輛制造商為了提高制造工藝和降低材料成本，將SUS304厚1mm板材一次沖壓成型，開發(fā)了雙層外板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并將這種結(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。此結(jié)構(gòu)就是在梁柱之間墻板自由區(qū)域全部覆蓋一塊沖壓成型的補(bǔ)強(qiáng)板，使外墻板不存在自由區(qū)域。整體補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)使側(cè)墻的整體剛度有效地增加，受力更均勻，外墻板抗失穩(wěn)能力提高，其表面平面度得到了極大地改善。

但此結(jié)構(gòu)未被大批量的使用，理由一是重量大，采用SUS301L的外墻板厚1.5mm（為了外觀平整用的厚了一點(diǎn)）而整體沖壓成型的內(nèi)層補(bǔ)強(qiáng)板最薄也要0.8～1mm，復(fù)合后總厚度為2.3～2.5mm;另一個(gè)理由是強(qiáng)度低，SUS301LHT材料屈服強(qiáng)度最小為685N/mm2，而SUS304材料屈服強(qiáng)度只有為205N/mm2。如果采用DLT材料，其沖壓成型將會(huì)受到限制。同時(shí)，與單層補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)相比，其沖壓模具的制造成本也將大幅提高。

我國一些車輛制造商也對“整體沖壓成型內(nèi)層筋板”結(jié)構(gòu)進(jìn)行過研究，并制造出了實(shí)際的車輛（見圖1），但基于上述理由沒有大批量采用。

3 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證，在車體承載要求較高且焊接量較大的區(qū)域宜采用雙層板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，此時(shí)可將雙層板的剛度大、平整度較好的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。在車體承載要求一般的項(xiàng)目中，宜采用單層外板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對車輛輕量化有較大貢獻(xiàn)，節(jié)約能源。

同時(shí)，通過計(jì)算機(jī)仿真分析，可以在部分區(qū)域采用單層外板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域采用雙層板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)以優(yōu)化現(xiàn)有車輛設(shè)計(jì)，即將兩種補(bǔ)強(qiáng)方式同時(shí)應(yīng)用，相互之間取長補(bǔ)短，可獲得車體強(qiáng)度和輕量化之間的平衡。

參考文獻(xiàn)：

[1] JIS4305-1999，冷軋不銹鋼板及鋼帶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì).