250km-h動(dòng)車組頭車底架有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

250km/h動(dòng)車組頭車底架有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

何曉蕾劉晨輝宋巍宋明陽(yáng)霍鑫龍Summary：底架作為動(dòng)車組車體關(guān)鍵承載部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛度及強(qiáng)度對(duì)整車的安全使用及性能有很大影響。采用ANSYS有限元方法，在整車分析的基礎(chǔ)上，對(duì)250km/h動(dòng)車組底架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析研究。對(duì)底架主要的典型載荷下應(yīng)力集中部位（牽引梁等）進(jìn)行局部應(yīng)力分析并優(yōu)化，對(duì)250km/h動(dòng)車組頭車車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)。在各工況和載荷作用下，各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力及合成應(yīng)力和位移測(cè)點(diǎn)的位移值均小于所用材料的彈性極限，底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。Key：動(dòng)車組;底架;有限元分析;強(qiáng)度;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：TG457.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A：1001-2303（2020）04-0031-06DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.060前言隨著列車新車型的研制及速度的提高，車體雖為整體式承載，但底架在車體承載結(jié)構(gòu)中始終起著主導(dǎo)作用，車體底架仍是整個(gè)車體的承載基礎(chǔ)。250km/h動(dòng)車組底架設(shè)計(jì)為通長(zhǎng)鋁合金中空型材焊接結(jié)構(gòu)，采用無(wú)中梁形式的邊梁承載，車下設(shè)備采用底架邊梁吊掛方式，便于整體吊裝設(shè)備。底架不僅承受整個(gè)車體、車內(nèi)及車下設(shè)備的質(zhì)量，同時(shí)還承擔(dān)著將車體傳來(lái)的牽引及制動(dòng)力傳遞給車鉤，并承受車體運(yùn)行中的各種復(fù)雜的動(dòng)應(yīng)力，因此底架需具備足夠的強(qiáng)度和剛度。因而底架設(shè)計(jì)成為整個(gè)車體設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。1車體概述車體作為列車的組成主體，既是乘坐載體，又是安裝和連接其他系統(tǒng)組成部分的基礎(chǔ)。車體由底架、車頂、側(cè)墻、司機(jī)室頭部結(jié)構(gòu)、端墻以及焊接附件等組成。車體設(shè)計(jì)采用輕量化設(shè)計(jì)理念，以底架為主、其他部件共同參與的薄壁筒型整體式承載結(jié)構(gòu)。主要采用通長(zhǎng)大型中空鋁合金擠壓型材組焊而成[3]，較好地考慮了強(qiáng)度和剛度的關(guān)系。2底架主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范上要求，在車鉤安裝面承載能力為：縱向拉伸載荷1000kN，縱向壓縮載荷1500kN。因此，在設(shè)計(jì)車體底架時(shí)，將頭車端部結(jié)構(gòu)、中間車端部結(jié)構(gòu)、雙層中空地板，與底架邊梁組焊成整體承載式結(jié)構(gòu)，邊梁及地板由長(zhǎng)大鋁合金型材縱向焊縫整體拼接而成;地板型材縱向貫通，邊梁承擔(dān)主要縱向和垂向載荷，有效地改善了底架的受力狀況，降低了牽引梁與地板連接處的應(yīng)力水平。在截面變化較大部位采取了局部結(jié)構(gòu)處理，減少了應(yīng)力集中導(dǎo)致開(kāi)裂的現(xiàn)象。整個(gè)底架關(guān)于縱向中心線對(duì)稱，主要由地板、邊梁和端部緩沖梁組成。底架邊梁與地板采用搭接或插接方式，通過(guò)調(diào)整搭接量，能夠有效保證整個(gè)底架的寬度。底架為空調(diào)風(fēng)道、轉(zhuǎn)向架及其他車下設(shè)備預(yù)留設(shè)計(jì)空間;車下設(shè)備安裝為模塊化設(shè)計(jì)，采用邊梁吊裝的特殊螺栓懸掛方式。2.1主要結(jié)構(gòu)參數(shù)頭車底架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：軌距1435mm，底架總寬度3300mm，頭車底架長(zhǎng)度23151.5mm，二位端車鉤高度935mm，一位端車鉤高度1000mm，底架上面距軌面高1180mm，縱向壓縮載荷1500kN，縱向拉伸載荷1000kN。2.2底架主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)底架設(shè)計(jì)采用Creo軟件進(jìn)行三維模塊化建模設(shè)計(jì)，底架總圖如圖1所示。2.2.1底架邊梁設(shè)計(jì)底架的縱向載荷和垂向載荷通過(guò)端部結(jié)構(gòu)傳遞到底架邊梁，因此邊梁的強(qiáng)度和剛度要求很高。邊梁截面設(shè)計(jì)為箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部合理布置了連接筋，既提高了垂向剛度，又能滿足車下設(shè)備的吊掛功能。通過(guò)底架邊梁來(lái)懸掛較重的設(shè)備及本身容易產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的懸掛部件，可以避免地板型材剛度不足易發(fā)生振顫、傳遞振動(dòng)噪聲和產(chǎn)生疲勞等問(wèn)題。在優(yōu)化底架承載結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也減輕了地板型材的質(zhì)量，提高了乘坐的舒適性。同時(shí)底架邊梁的設(shè)計(jì)還綜合了側(cè)墻及門角柱的連接接口，考慮了地板以及側(cè)門的安裝等。在與車門配合的位置預(yù)留一個(gè)密封臺(tái)，保證了電動(dòng)外塞拉門車門的密封性。由于底架邊梁在門角區(qū)域應(yīng)力較高，設(shè)計(jì)時(shí)將底架邊梁型材外側(cè)高出地板適當(dāng)高度，使門角整體加工成型，避免邊梁與側(cè)墻在此位置焊接，改在低應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行焊接。采用搭接或插接形式設(shè)計(jì)邊梁與地板的連接，避免了因焊接變形引起的收縮問(wèn)題。2.2.2地板結(jié)構(gòu)地板是由6塊自帶C型槽的雙層中空擠壓鋁型材拼焊而成，保證了地板的剛度和氣密強(qiáng)度。組焊后的地板上部與下部各為一平面，與底架邊梁、中間車端部結(jié)構(gòu)、頭車前端結(jié)構(gòu)組焊成為底架整體。長(zhǎng)地板中空型材結(jié)構(gòu)可用于布置電氣走線。車內(nèi)外各種附件如制動(dòng)管路、電氣線槽或支撐架均掛靠在型材自帶C型槽內(nèi)，使安裝時(shí)方便快捷。采用機(jī)械手焊接通長(zhǎng)地板。整體機(jī)加工組焊好的地板，各種附件鑲嵌在地板中，起到車上車下的連接作用，在地板開(kāi)孔且設(shè)有加強(qiáng)筋，用于保證其強(qiáng)度;附件采用段焊加抹密封膠或直接采用結(jié)構(gòu)膠，既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又能夠密封，且防止了焊接變形[2]。地板通過(guò)地板型材的連接平臺(tái)與邊梁上面及伸出的筋板搭接角焊，既保證了強(qiáng)度，又實(shí)現(xiàn)了車體寬度的調(diào)整，如圖2所示。2.2.3頭車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)頭車底架一位端部結(jié)構(gòu)為被動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)，其耐撞擊吸能結(jié)構(gòu)是該車體結(jié)構(gòu)的特色技術(shù)之一，前端預(yù)留了防撞吸能結(jié)構(gòu)接口，用戶需要時(shí)可加裝吸能部件。上部安裝司機(jī)室外罩的同時(shí)，底部滿足車鉤的安裝。底架端部結(jié)構(gòu)承受了列車連掛或制動(dòng)時(shí)由車鉤傳遞的巨大縱向載荷，并承受很大的彎矩。前端在司機(jī)室端部向車體中心線內(nèi)側(cè)收攏7°，滿足了車頭外形及曲線限界的需要。因此，前端結(jié)構(gòu)也需要順勢(shì)內(nèi)收，如何實(shí)現(xiàn)其力的合理傳遞成為前端設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。由于牽引梁安裝在端側(cè)墻上，列車牽引制動(dòng)的巨大的縱向載荷通過(guò)車鉤從端側(cè)墻傳遞到后面的邊梁上[4]。通過(guò)對(duì)其連接邊梁的復(fù)雜載荷進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，以及優(yōu)化設(shè)計(jì)連接區(qū)域，確定用連接板連接端側(cè)墻、L梁與邊梁;經(jīng)過(guò)多方案比選計(jì)算，選擇10mm厚連接板進(jìn)行過(guò)渡連接。防撞單元安裝座的焊縫密集，焊后變形大且不易控制，經(jīng)過(guò)工藝焊接試件驗(yàn)證，通過(guò)將頭車前端與地板邊梁連接區(qū)域焊后局部加工后，再進(jìn)行邊梁與地板的組裝配合，焊接變形得到了很大的改善。2.2.4中間車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中間車前端是安裝車鉤及緩沖器的重要零部件，由端部緩沖梁、牽引梁、底板、支撐梁等組成，如圖4所示。前端直接傳遞車體的縱向牽引力及縱向沖擊載荷。在牽引梁尾部進(jìn)行削形處理，4根牽引梁分別焊在底架下的加強(qiáng)筋處，有效地將牽引力和緩沖力傳遞到地板及邊梁上，滿足端部力的傳遞要求。前端下部結(jié)構(gòu)為車鉤箱，用于安裝中間車鉤及緩沖器。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好，有良好的耐沖擊性能，能承受車體壓縮及拉伸最大工況的載荷。因此底架端部材料大部分選擇沖擊性能較好的6082-T6的鋁合金型材，只有前端墻和蓋板為6005A-T6。2.2.5頂車位的設(shè)計(jì)動(dòng)車組底架上設(shè)置8個(gè)頂車位，每端布置4個(gè)頂車點(diǎn)，分別在轉(zhuǎn)向架枕梁的兩側(cè)，相對(duì)于轉(zhuǎn)向架呈對(duì)稱分布，便于救援和維修時(shí)頂車作業(yè)。分別通過(guò)螺栓將頂車墊板固結(jié)到8個(gè)頂車點(diǎn)，頂車位墊板下部采用波紋面，增加了抗磨耗能力，如圖5所示。3底架材料選擇底架在車體運(yùn)行中承受較大的動(dòng)載荷，因此選材時(shí)不僅要求其具有良好的焊接性能，還應(yīng)有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，同時(shí)也有一定的冷彎性能及韌性。在底架選擇材料時(shí)，綜合考慮其機(jī)械性能、可焊性及工藝性，主要選擇了材質(zhì)為鋁合金6005A、6082、5083三種，底架通長(zhǎng)型材是鋁合金6005A-T6，底架端部型材大部分是合金6082-T6，板材為5083。底架結(jié)構(gòu)用合金化學(xué)成為比較如表1所示。4底架強(qiáng)度與剛度計(jì)算由于車體結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的箱形整體承載結(jié)構(gòu)，底架、司機(jī)室、側(cè)墻、車頂?shù)戎饕休d部件焊接成一體，很難確定相互之間力的約束，因此在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析時(shí)，一般不單獨(dú)對(duì)底架進(jìn)行計(jì)算，而是對(duì)整個(gè)車體考核仿真計(jì)算。文中僅分析與底架相關(guān)的計(jì)算結(jié)果。4.1材料屬性材料的物理屬性如表2所示，車體材料的力學(xué)性能如表3所示。4.2車體有限元模型的建立建立動(dòng)車組MC車車體有限元模型時(shí)，以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。車體有限元模型中單元總數(shù)1106230，結(jié)點(diǎn)總數(shù)870394，車體的有限元模型如圖6所示。4.3與底架相關(guān)的計(jì)算載荷工況及邊界條件車底架結(jié)構(gòu)按照UIC566[2]與EN12663標(biāo)準(zhǔn)[1]設(shè)計(jì)并能承受以下縱向載荷：車鉤位置，拉壓載荷分別為1000kN和1500kN，該車歸為P-Ⅱ，各載荷工況和位移約束描述如表4以及圖7所示，所有工況均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。4.4靜強(qiáng)度分析結(jié)果文中只列出與底架相關(guān)的幾個(gè)極限載荷工況：（1）在AW3狀態(tài)下，車鉤處縱向壓縮載荷為1500kN，門角處出現(xiàn)最大應(yīng)力為73.548MPa，小于母材許用應(yīng)力115MPa?？褪蚁麻T角局部應(yīng)力云圖如圖8所示。（2）在AW3狀態(tài)下，初始設(shè)計(jì)中間車端部結(jié)構(gòu)在車鉤處縱向拉伸載荷1000kN，底架結(jié)構(gòu)中應(yīng)力最大位置發(fā)生在端部緩沖梁與牽引梁的焊縫末端，最大應(yīng)力為111.9MPa，接近許用應(yīng)力115MPa（此處按焊縫考核）。牽引梁末端應(yīng)力云圖如圖9所示。此結(jié)構(gòu)中端部緩沖梁較窄，導(dǎo)致底架端部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度不夠好，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，由開(kāi)口單邊型材改為閉口型材，增加了底架端部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。優(yōu)化后端部緩沖梁與牽引梁的焊縫末端最大應(yīng)力為94.389MPa，如圖10所示，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求。4.5剛度分析結(jié)果最大垂向載荷下，車體最大垂向位移13.94mm，發(fā)生在車體地板中心位置，底架邊梁型材最大垂向位移為7.49mm，如圖9所示。5靜強(qiáng)度試驗(yàn)5.1試驗(yàn)概述為了驗(yàn)證車體強(qiáng)度和剛度是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，一般不單獨(dú)對(duì)底架進(jìn)行試驗(yàn)，而是對(duì)整車進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)《鐵路應(yīng)用-軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求：機(jī)車和客車》的有關(guān)要求，對(duì)250km/h動(dòng)車組頭車車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性。共進(jìn)行了16個(gè)工況的試驗(yàn)，車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)如圖12所示。5.2試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)計(jì)算結(jié)果和以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)布置測(cè)試點(diǎn)，著重考慮應(yīng)力較大位置以及焊縫區(qū)域應(yīng)力情況[3]。結(jié)果表明，所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均低于許用應(yīng)力值，應(yīng)力高點(diǎn)E34（見(jiàn)圖13）應(yīng)力值為104.5MPa，遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力值，車體變形量均滿足設(shè)計(jì)要求。在各工況及載荷作用下，各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力及合成應(yīng)力和位移測(cè)點(diǎn)的位移值均小于所用材料的彈性極限。試驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足EN12663-1：2014《鐵路應(yīng)用-軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》的要求[1]。由此可見(jiàn)，底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。6結(jié)論近年來(lái)，底架作為動(dòng)車組車體的關(guān)鍵承載部件，其整體及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性及縱向承載能力直接影響到動(dòng)車組的安全運(yùn)行，越來(lái)越受到關(guān)注。因此，底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性及其優(yōu)化，特別是疲勞強(qiáng)度分析計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)車體輕量化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)保障。此外，在底架結(jié)構(gòu)的選材以及計(jì)算分析手段上進(jìn)行深入研究也值得重視。隨著鐵路向綠色環(huán)保、節(jié)能節(jié)耗發(fā)展，對(duì)車體的輕量化設(shè)計(jì)提出了更高的要求，因此底架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需提到一個(gè)更高的水平，既能滿足總體結(jié)構(gòu)性能要求，又能實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量、降低成本，新材料成為工程應(yīng)用研究和發(fā)展的新方向。Reference：[1]EN12663-1-2014，鐵道應(yīng)用-鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求第1部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛[S].[2]EN15085—2007，Railwayapplications-WeldingofrailwayvehiclesAndcomponents