CRH3A型動(dòng)車組車體強(qiáng)度優(yōu)化研究

李林　吳婷

摘 要：本文通過(guò)對(duì)CRH3A型動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度分析，給出了軌道車輛車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。研究發(fā)現(xiàn)：軌道車輛車體強(qiáng)度不足時(shí)，需要結(jié)合車體整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化；對(duì)于強(qiáng)度不足之處，可采用加強(qiáng)薄弱點(diǎn)結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行優(yōu)化；但是由于受結(jié)構(gòu)等因素限制，采用加強(qiáng)薄弱點(diǎn)的方案未必都能完全改善整體強(qiáng)度；相反，采用減弱其相鄰處結(jié)構(gòu)，減少與相鄰處的強(qiáng)度差距，避免應(yīng)力集中，可以有效改善車體整體強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：軌道車輛；強(qiáng)度分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.241

0 引言

軌道車輛運(yùn)輸運(yùn)載量大、效率高，是我國(guó)主要交通運(yùn)輸方式之一[1-4]。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，軌道車輛車體設(shè)計(jì)理念不斷更新，軌道車輛車體質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)亦不斷提高。2013年，鐵路總公司在旅客界面、操作界面、運(yùn)用界面、維護(hù)界面、制動(dòng)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)保護(hù)等六個(gè)方面提出了動(dòng)車組簡(jiǎn)統(tǒng)化的要求。按照該要求，軌道車輛車體系統(tǒng)增設(shè)了行包間、BP救援轉(zhuǎn)換裝置、司機(jī)操控分析系統(tǒng)（EOAS）、受電弓視頻監(jiān)控裝置、車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。目前，傳統(tǒng)城際動(dòng)車組（如CJ-1型動(dòng)車）的車體結(jié)構(gòu)已不能滿足該“簡(jiǎn)統(tǒng)化”要求，需要對(duì)原有車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。因此，本文以CRH3A型動(dòng)車組為例，對(duì)其車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高車體強(qiáng)度，為我國(guó)軌道車輛新型車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 CRH3A型動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)

CRH3A型動(dòng)車組車體與CJ-I型動(dòng)車組基本一致，均采用全焊接鋁結(jié)構(gòu)，車體采用通長(zhǎng)的大型中空鋁型材焊接而成的筒狀結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、車頂、動(dòng)力學(xué)前端結(jié)構(gòu)、端墻等組成。各大部件均由長(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。車體強(qiáng)度滿足 EN 12663《鐵路應(yīng)用-鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》PⅡ級(jí)：“固定編組”規(guī)定的要求?；谀K化設(shè)計(jì)原則，車體分為兩種基本類型：

（1）端部車體（含動(dòng)力學(xué)前端結(jié)構(gòu)）；（2）中間車體。

CRH3A型動(dòng)車組優(yōu)化后與原CJ-1型動(dòng)車組差異為：（1）根據(jù)車輛的統(tǒng)型要求，中間車體長(zhǎng)度由24200mm加長(zhǎng)至25000mm（端部車體加長(zhǎng)至27600mm），高度不變；底架端部結(jié)構(gòu)參照時(shí)速350公里標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整。（2）為滿足與站臺(tái)間隙要求，車體斷面輪廓在窗腰帶下部，型材外輪廓尺寸局部調(diào)整，相應(yīng)大部件調(diào)整如下：1）側(cè)墻下部?jī)蓧K型材輪廓局部進(jìn)行調(diào)整；2）底架為滿足與側(cè)墻的連接，與側(cè)墻接口位置局部調(diào)整。（3）端部車體由于車頭及司機(jī)室的變化，車體動(dòng)力學(xué)前端加長(zhǎng)約950mm。

2 CRH3A型動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 端部車體強(qiáng)度分析

CRH3A優(yōu)化動(dòng)車組中間車車體結(jié)構(gòu)與原CJ-1型動(dòng)車車體結(jié)構(gòu)基本類似，其強(qiáng)度相差不大，故主要對(duì)端部車體強(qiáng)度進(jìn)行分析。CRH3A優(yōu)化動(dòng)車組端部車體結(jié)構(gòu)較為特殊，車體車身部分由CRH3型車平臺(tái)衍生而來(lái)，司機(jī)室車頭及空氣動(dòng)力學(xué)前端由CRH5型車平臺(tái)衍生而來(lái)，兩者的配合可靠性需要通過(guò)計(jì)算來(lái)進(jìn)一步校核?？諝鈩?dòng)力學(xué)前端結(jié)構(gòu)破壞了車體的筒形結(jié)構(gòu)，且動(dòng)力學(xué)前端的加長(zhǎng)，使得非筒形結(jié)構(gòu)與筒形結(jié)構(gòu)的比例加大；為了彌補(bǔ)強(qiáng)度的不足，動(dòng)力學(xué)前端在CRH5型車平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了加強(qiáng)，型材結(jié)構(gòu)均在CRH5型車基礎(chǔ)上加厚加強(qiáng)。另外，CRH3A優(yōu)化動(dòng)車組端部車輛為具有牽引電機(jī)的動(dòng)車，牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)道需要在車體地板上開(kāi)通過(guò)孔，并去除大部分型材斜拉筋，導(dǎo)致車體開(kāi)孔處局部強(qiáng)度及剛度減弱；仿真分析計(jì)算時(shí)，該處應(yīng)力明顯超過(guò)了材料的許用應(yīng)力，見(jiàn)圖2和圖3。

2.2 車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上仿真分析可知，CRH3A優(yōu)化動(dòng)車組端部車體的窗角及門角等位置局部應(yīng)力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力許用值，故需要對(duì)其局部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。依據(jù)GB/T 7928-2003標(biāo)準(zhǔn)，CRH3A優(yōu)化動(dòng)車組車體在垂向超員載荷工況作用下，車體底架邊梁中部靜撓度不應(yīng)超過(guò)17.8mm；根據(jù)TB1335-96標(biāo)準(zhǔn)，在垂向超員載荷工況作用下，車體相當(dāng)彎曲剛度不小于1.8X109 N?m2；根據(jù)TB1335-96標(biāo)準(zhǔn)，在扭轉(zhuǎn)載荷工況作用下，車體相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度不小于5.5X108 N?m2/rad。根據(jù)BS-EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，車體靜強(qiáng)度計(jì)算工況共22個(gè)，本文僅對(duì)優(yōu)化后車體強(qiáng)度變化較大的幾種載荷工況和位移約束描述如表1。

經(jīng)過(guò)初步仿真分析發(fā)現(xiàn)，窗角及門角等位置局部應(yīng)力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力許用值，適當(dāng)優(yōu)化后即可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但動(dòng)力學(xué)前端與牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)風(fēng)道連接的焊縫處，應(yīng)力值稍大，通過(guò)簡(jiǎn)單優(yōu)化處理，無(wú)法滿足要求。經(jīng)過(guò)分析得應(yīng)力超標(biāo)的主要原因：通風(fēng)機(jī)風(fēng)道地板處，由于地板開(kāi)孔較大，且地板型腔的斜筋去除較多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)較弱，而動(dòng)力學(xué)前端結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，在受車體縱向力作用下，兩者的連接處應(yīng)力突變明顯。

針對(duì)上述問(wèn)題，首先，采取加強(qiáng)通風(fēng)機(jī)風(fēng)道地板處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法，使其與動(dòng)力學(xué)前端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度接近。將通風(fēng)機(jī)風(fēng)道側(cè)壁加厚，并在地板上通風(fēng)孔兩側(cè)貼加補(bǔ)強(qiáng)板，同時(shí)，將動(dòng)力學(xué)前端的牽引梁延長(zhǎng)，使其與通風(fēng)機(jī)風(fēng)道連接。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，無(wú)論如何加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，都無(wú)法徹底改善通風(fēng)機(jī)風(fēng)道地板處的薄弱狀態(tài)。在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的末端應(yīng)力值都無(wú)法滿足要求。由于通風(fēng)機(jī)風(fēng)道處結(jié)構(gòu)所限，單一采取加強(qiáng)薄弱點(diǎn)結(jié)構(gòu)的措施不能解決強(qiáng)度不足的問(wèn)題。

其次，采用減弱動(dòng)力學(xué)前端結(jié)構(gòu)的方法來(lái)優(yōu)化解決。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，為了避免應(yīng)力突變，設(shè)置了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱的漸變過(guò)程：（1）減短動(dòng)力學(xué)前端的牽引梁來(lái)減弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；（2）將連接板上的連接筋去除，同時(shí)在連接板上加工出臺(tái)階，使連接板末端約200mm長(zhǎng)度厚度減薄，結(jié)構(gòu)再次減弱；（3）基于前兩步的基礎(chǔ)，在連接板末端中間開(kāi)方孔，使連接板在外輪廓不變的前提下，有效寬度變小，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減弱。

通過(guò)以上三步，優(yōu)化后的動(dòng)力學(xué)前端幾何模型如圖4，雖然動(dòng)力學(xué)前端結(jié)構(gòu)很強(qiáng)，但是已經(jīng)提前將其逐步減弱，到與通風(fēng)機(jī)風(fēng)道連接處時(shí)，已減弱到與風(fēng)道結(jié)構(gòu)相匹配的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。應(yīng)力值基本滿足許用要求，僅在接縫交角處稍大，通過(guò)增加倒圓角的處理方式，使應(yīng)力值均在許用安全系數(shù)之內(nèi)，成功的解決了應(yīng)力集中問(wèn)題。

對(duì)于車體的剛度，由于動(dòng)力學(xué)前端的加長(zhǎng)，使的一位端改變了車體的筒形結(jié)構(gòu)，致使車體的扭轉(zhuǎn)剛度不足，通過(guò)在車內(nèi)一位端區(qū)域增加內(nèi)端墻的方式，改善了車體的扭轉(zhuǎn)剛度。

通過(guò)仿真分析計(jì)算，經(jīng)優(yōu)化后動(dòng)力學(xué)前端與風(fēng)道連接處的強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。典型工況下得應(yīng)力見(jiàn)下圖5（圖中孔內(nèi)應(yīng)力值較大，屬非焊接區(qū)域）。

在AW3垂向載荷工況作用下，車體及底架邊梁垂向位移云圖見(jiàn)圖6。車體底架邊梁中央位置垂向靜撓度值為7.291mm，計(jì)算得端部車體相當(dāng)彎曲剛1.817*109 N?m2。在扭轉(zhuǎn)載荷工況作用下，計(jì)算得端部車體相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度5.5405*108 N?m2/rad，滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

CRH3A優(yōu)化動(dòng)車組真實(shí)車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)，已由第三方試驗(yàn)檢驗(yàn)完畢，結(jié)果滿足車體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求，且實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真分析計(jì)算結(jié)果相近。

綜上可知，車體強(qiáng)度不足時(shí)，需要結(jié)合車體整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)于強(qiáng)度不足之處，通常采用的優(yōu)化方法是加強(qiáng)薄弱點(diǎn)結(jié)構(gòu)；但是由于受結(jié)構(gòu)等因素限制，采用加強(qiáng)薄弱點(diǎn)的方案未必都能完全改善整體強(qiáng)度；相反，采用減弱其相鄰處結(jié)構(gòu)，減少與相鄰處的強(qiáng)度差距，避免應(yīng)力集中，可以有效改善薄弱點(diǎn)的強(qiáng)度指數(shù)。進(jìn)而優(yōu)化了車體的整體強(qiáng)度。

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