高速动车组铝合金车体结构优化

邓海,闵韩琴

(中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)



高速动车组铝合金车体结构优化

邓海,闵韩琴

(中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)

采用有限元数值分析技术与整车静强度试验和在线测试相结合的方法，依据EN 12663- 2010标准，对新一代高速动车组铝合金车体底架和门框进行结构优化；基于车体端墙结构模态分析，确定提高一阶纵向弯曲振动频率的端墙改进结构.经相关试验验证了车体优化方案的可行性，并将此方案运用于实际生产中.

动车组；局部模态；静强度试验；在线测试

0 引言

新一代高速动车组铝合金车体主结构是在引进的CRH3型动车组车体结构的基础上设计的，车体材料选择6xxx系铝合金材料，车体材料满足DIN5513标准[1]；车体结构满足EN1999标准[2]，车体强度设计满足《200 km及以上速度级铁道车辆-强度设计及试验鉴定暂行规定》及EN 12663标准[3].由于动车组铝合金车体焊缝强度评价标准EN1999的升级，例如：厚度t≤5 mm的6005A-T6型材，1998版的EN1999标准中的焊缝热影响区的许用应力为140 MPa，2007版的焊缝热影响区的许用应力仅为115 MPa.因此，采用2007版的EN1999标准，评价CRH3型动车组车体底架前端及门口局部结构时，存在强度不足问题.此外，CRH3型动车组在运营过程中，车体端墙和扶手出现强烈振动现象.

本文借助整车车体静强度有限元分析与静强度试验，筛选满足EN1999- 2007标准的新一代高速动车组铝合金车体底架前端和门口结构的最佳方案；通过车体端墙结构模态分析及在线测试，确定提高端墙纵向弯曲振动频率的改进结构.

1 车体局部结构改进及试验验证

依据EN1999- 2007标准，评价CRH3型动车组车体结构时，铝合金车体底架前端及门口存在局部应力超标问题，具体超标点位置见图1(E1、E2、E3、E4是贴应变片的位置).

为解决底架前端应力超标问题，制定了九种优化方案，具体优化方案见表1，前端结构示意如图2所示.为提高门口局部强度，制定了两种优化方案：①底架边梁型材尺寸G由6 mm改为7 mm，尺寸F由4 mm改为5 mm，门上横梁型材尺寸J由5 mm改为5.5 mm，尺寸H由4 mm改为4.5 mm；②底架边梁型材尺寸G由6 mm改为7.5 mm，尺寸F由4 mm改为5.5 mm，门上横梁型材尺寸J由5 mm改为5.5 mm，尺寸H由4 mm改为4.5 mm.

图1 车体底架前端及门口局部应力超标点示意

图2 底架前端、边梁、门上横梁结构示意图

优化方案改进结构说明1取消件1的开孔D,板厚A为15mm,厚度不变.2取消件1的开孔D,板厚A由15mm改为20mm.3取消件1的开孔D,板厚A由15mm改为25mm.4件3改为倾斜的,件1板厚A为15mm,开孔形状D变化.5件3开圆孔,件1板厚A为15mm,开口形状D变化.6件1板厚A由15mm改为20mm;件2板C板厚度改为20mm;件3板厚B由3mm改为去10mm;件4板厚E由6mm改为10mm.7在方案6的板厚基础上,改变件1开孔D的形状和尺寸,使其开孔避开焊缝位置.8在方案7的基础上,开孔D形式不变,件3板厚B改为3mm件4板厚E改为7mm.9在方案7的基础上,开孔D形式改变,件3板厚B改为12mm,件4板厚E改为10mm.

为筛选出车体底架前端及门口结构的最佳方案，在车体不同状态的车钩区域1 500 kN压缩载荷工况作用下，分别对底架前端的九种方案和门口结构的二种方案开展整车车体静强度有限元分析，依据数值分析结果，确定底架前端的第九个方案和门口结构第二个方案满足EN1999- 2007标准的设计要求.图3为车体底架前端和门口的计算结果.将上述设计方案应用于铝合金车体设计中，并制造出物理样车(参见图4).车体底架前端及门口结构的静强度试验数据[4]见表2和3.由表2和3可以看出：物理样车车体底架前端及门口结构的测点应力均小于它们的许用应力.

图3 车体局部结构的静强度计算结果

图4 车体静强度试验

工况测量点应力/MPaE1点E2点许用应力MPa工况描述1-108.7-106.8115车钩1500kN压缩载荷2-111.6-111.2115工作状态车钩1500kN压缩载荷3-112.4-113.9115最大载荷状态车钩1500kN压缩载荷

表3 车体门口的试验结果

2 车体端墙模态分析及试验研究

为研究CRH3型动车组车体端墙和扶手局部振动特性，在端墙原始设计(称为方案1)的基础上，增加端墙立柱(称为方案2)，尺寸为2 560 mm×80 mm×45 mm×8 mm ；端墙增加立柱，并同时车顶相邻区域增加横梁、纵梁(称为方案3)，尺寸分别为：1 885 mm×140 mm×155 mm×5 mm 和1 155 mm×133 mm×8 mm.车体材料密度为3.13×103kg/m3，弹性模量为7.0×104MPa，泊松比为0.33.

车体端墙结构三方案模态分析的有限元模型1的单元总数为125 776，节点总数为113 316，结构质量为1.589 t；模型2的单元总数为126 718，节点总数为114 098，结构质量为1.614 t；模型3的单元总数为128 784，节点总数为115 962，结构质量为1.638 t.车体端墙结构模态分析边界条件一致，均在车体一端施加全约束.

分析图5、图6以及表4可得出：车体端墙增加立柱后，车体端墙的一阶纵向弯曲振动频率提高了3.87 Hz；二阶纵向弯曲振动频率提高了4.01 Hz.

(a)端墙一阶纵向弯曲 (b)端墙二阶纵向弯曲 (a)端墙一阶纵向弯曲 (b)端墙二阶纵向弯曲

图5 车体端墙原结构的振型云图 图6 车体端墙结构方案二的振型云图

表4 车体端墙结构三方案的模态分析结果 Hz

阶数方案1方案2方案3138.2837.7337.76242.69(端墙一阶纵向弯曲)46.56(端墙一阶纵向弯曲)46.57(端墙一阶纵向弯曲)346.35(端墙二阶纵向弯曲)50.36(端墙二阶纵向弯曲)50.36(端墙二阶纵向弯曲)460.0860.0660.06561.2261.2261.22

为确认车体端部结构改进方案的效果，在哈尔滨西-扶余北区段，对动车组(运行速度为292 km/h)车体端墙方案二和原方案进行振动响应测试，测点布置参见图7和表5，测试结果[5]如图8所示.从图8可知：端部结构更改后纵向振动主频后移5 Hz，振幅相对下降.

表5 端部扶手振动测点

图7 测试车体端门立柱及振动响应测点布置

图8 端墙和扶手测点的频谱图

3 结论

采用有限元数值分析技术与整车静强度试验和在线测试相结合的方法，筛选出满足EN1999- 2007标准的CRH3型动车组车体底架前端及门口结构的最佳设计方案，试验测点应力均小于它们的许用应力；增加立柱的车体端墙的一阶纵向弯曲振动频率提高了3.87 Hz；二阶纵向弯曲振动频率提高了4.01 Hz，端部结构的在线振动响应测试数据表明，纵向振动主频后移5 Hz，振幅下降，端部侧墙和扶手的振动特性得到了一定改善.

[1]DIN5513- 2007轨道车辆材料：铝及铝合金[S].德国：[s.n.],2007.

[2]The European Standard(EN).BS EN1999- 1- 1：2007 Eurocode 9:Design of aluminum structures(Part 1- 1：General structural rules)[S].British:BSI，2007.

[3]BS EN 12663- 1:2010铁路车辆车体的结构要求(第一部分：机车和客运车辆)[S].British:BSI，2010.

[4]标准动车组车体静强度试验报告[R].铁道部产品质量监督检验中心车辆检验站，2015.

[5]高速动车组车辆端部线路测试报告[R].长春轨道客车股份有限公司，2014.

Structure Optimization of High-Speed EMU Aluminum Car- Body

DENG Hai,MIN Hanqin

(CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,Changchun 130062,China)

Component strength and end-wall resonance are studied for new generation high-speed EMU aluminum car-body.According to EN 12663- 2010 standard,the under-frame and door-frame structures are optimized by FEA technique and vehicle static strength test.Based on the end-wall modal analysis and related online test,the improved side-wall structure which has higher longitudinal bending vibration frequency,is determined.The improved car-body structure has been accepted in car-body design.

EMU;partial modal;static strength test;online test

1673- 9590(2016)03- 0015- 04

2015- 05- 13

邓海(1973-),男，副教授,学士，主要从事铝合金车体结构的研究E-mail:dengh300@163.com.

A