高速动车组车体铝合金型材设计方法研究
发表时间：2014-11-01 20:22 作者： 来源： 浏览：
何晓蕾 唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心 河北唐山 063035
张锦华 唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心 河北唐山 063035
摘 要：主要介绍了铝合金动车组车体型材设计，对筋板的设计方式、插口接头的设计，承载C型槽的设计以及铝型材材料的选择等进行了分析，得出型材设计的优选方案。
关键词：动车组车体；铝合金型材；筋板
目前，动车组车体常用材料为大型断面挤压铝型材，能够达到简化车体结构，轻量化和减少材料数量，并且能减少焊缝，提高焊接的自动化率的目的。
铝型材的设计包括了型材断面的选择，筋板的设计，型腔的设计，插口接头的设计，承载C型槽的设计以及铝型材材料的选择等。本文对型材的设计进行分析，得出铝型材设计的思路与优选方案。
最初采用挤压铝型材是以实用薄挤压型材的开口型材断面为车体结构的主结构，只有部分底架结构采用中空挤压型材的。此种类型的车体结构如图1 所示。
图1 薄挤压型材（开口型材断面）结构
一般来说，封闭型结构（以中空挤压型材为主构成的结构）相对于开口型材结构要重一些。但是，由于中空挤压型材具有强度高、刚度大、降噪性好等特性，可以无需在开口型材中必须使用的加强材料，从而在车体的实际结构中不仅能够减少材料数量，降低成本，而且还能极大提高车体的各种其他性能。近年来，由于强调车辆的舒适性，业内认为在不影响列车动力学性能的前提下，适当增加车体的重量可以增加车体刚度，提高车辆的舒适性指标，因此高速车辆整个车体断面结构都开始使用合理设计的中空挤压型材车体结构，在重量和列车动力学性能之间找到平衡点。
中空挤压型材车体结构出现以后，在国内外高速列车上开始大量使用，被认为是目前最适合高速列车的车体结构，该种结构的车体如图2所示。
图2 中空挤压型材（封闭型材）结构
目前在高速车车体上，整个车体断面上普遍采用中空挤压型材结构，在外形比较复杂的司机室这种部位一般采用单壳型材结构或者板梁结构。本文主要对中空闭口铝型材的设计方法进行分析研究，得出其最优方案。
1 筋板的设计
1.1 筋板设计类型
在动车组车体铝合金型材中，筋板设计方式主要有三角形、矩形、及梯形设计3种形式，如图3所示。
三角形筋板形式 矩形筋板形式 梯形筋板形式
图3 筋板的设计方式
对有特殊要求的结构进行特殊筋板的设计，比如CRH3型车车顶过线孔半圆形型腔的设计是满足了车顶内部走线的需求（要求较大且圆滑的空腔）。如图4所示。
图4 车顶过线孔筋板设计
从截面横向变形来说，三角形筋板设计方式变形最小，梯形筋板设计方式次之，矩形筋板设计方式变形最大。从整体变形结果来看，三角形筋板设计方式结构稳定性最好，梯形筋板设计方式略差，矩形筋板设计方式最差。从纵向变形来说，3种筋板设计方式基本相同。在型材设计时，应根据受载荷情况以确定筋板的设计方式。
1.2 筋板圆角
对于筋板与壁板连接处及筋板间的圆角，一方面要考虑避免应力集中；另一方面由于筋板与壁板相交地方的应力相对于壁板中部的应力要大得多，因而应通过倒圆角的方式来增加这一区域的材料厚度；再一方面，还要考虑是否有直接受载情况（例如有C型槽悬挂的区域）。设计时，壁板与筋板的圆角可以小一些，而筋板间的圆角可以大一些，圆角的顶点距壁板外侧的距离应大于壁板厚度。无直接承载区域小一些，有直接承载区域大一些。如图5 所示。
非直接承载区域圆角 直接承载区域圆角
图5 筋板的圆角
1.3 筋板的结点布置
通常情况下，为了便于设计，我们将筋板中心线的交点设计在壁板外侧上，但在特殊情况下（例如有直接承载要求时），可将结点布置在型材以外，如图6（1） 所示。这是为了增强C型槽与壁板连接处的强度。结点距壁板外侧的距离取决于C型槽的大小，若C型槽宽度较小则可以不将结点向外移。如图6（2）所示。
（1）非直接承载处筋板结点布置 （2）直接承载处筋板结点布置
图6 筋板的结点布置
2 型材壁厚的设计
2.1 载荷对型材壁厚的影响
型材厚度主要由其所承受的载荷决定。
总体来说，一般壁厚较后部分主要布置在载荷较大的部位，例如车顶平顶（4mm）和底架边梁局部吊装部位壁厚（10mm），而在载荷较小的部位，比如侧墙，一般壁厚选择2.5mm。
另外，利用大壁厚的底架边梁来悬挂自重较大和能产生强烈振动的底架悬挂部件，避免地板型材刚度不足容易发生振颤、传递振动噪声和产生疲劳等问题。并且有利于优化底架承载结构，减轻地板型材重量。
2.2 挤压工艺对型材壁厚的影响
型材壁厚除了受其所受应力的影响外，还受到挤压工艺的影响。对于复杂型材，型材壁厚宜设计厚一些，以便于挤压；同时型材的壁厚还需要考虑截面变化对挤压的影响。
3 型材插口接头的设计
在高速动车组车体铝型材的插口接头的设计中，首先要考虑到有利于车体型材的组对和公差的控制，其次要考虑到焊接性能，能够使焊接质量稳定可靠。
3.1 插口的设计
插口的设计一方面要考虑到型材的连接，另一方面要考虑到焊接的性能，常见大部件型材之间连接采用插口有插接和搭接方式。如图7所示。
（1）型材插接方式
（2）型材搭接方式
图7 型材插口接头的设计
边梁和中间型材不管是采用插接还是搭接方式，可调量都比较大，在20mm左右，一般采用角焊缝；中间型材相互间通过插口对接在一起，其间的调整量相对较小，焊接收缩量由边梁与中间型材间的调整量满足。如图8所示。
（1）边梁与中间型材之间的连接方式 （2）中间型材之间的连接方式
图8 型材之间的连接方式
3.2 焊接接头的设计方式
焊接接头的型材设计一般采用比较巧妙的方式，对于焊透的型材母体，与焊接垫板融为一体，形成带有熔池的焊接接头，一方面能够减少一定的焊接量和焊接变形，另一方面还能避免焊接时焊接熔水落入空腔内。如图9所示。
焊接接头A 焊接接头B
图9 焊接接头形式
其中，焊接接头A适用于单层插接型材，焊接接头B导向性更好，并且有0.5mm的间隙，更容易调整，适用于双层的空腔型材设计。
在生产过程中，总会出现这样那样的问题使得2块拼焊地板型材的接口处对不齐，使得焊接质量无法保证，于是诞生了另外一种焊接接头--叉口形式，问题便迎刃而解了。如图10所示。
图10 插口焊接接头形式
4 承载滑槽的设计
为降低能耗，车体需采用轻量化设计，因此用来吊装车下设备、安装车内防寒和内饰件时经常采用铝型材上加C型滑槽的设计。各种附件均挂靠在C型槽内，使安装时方便快捷，而且具有很高的可靠性。并且减少了安装或焊接附件引起的车体变形，或之后用调修的方式进行补救，效果并不理想。
布置承载C型槽不要凹进型材轮廓的里面，否则很难避免打磨C型槽时打磨掉型材本身。如图11所示。
图11 承载C型滑槽的设计
在型材内侧也可以设置L型导轨，用来安装内装件，便于安装和定位。在设置C型滑槽和L型导轨的时候相应位置的型材壁板要比蒙皮加厚1.5～2mm。
图12 L型导轨型材的设计形式
另外，在车外可设置T型槽，用来安装各种设备。T型槽设计应与型材内筋板共线。如图13所示。
图13 T型槽型材的设计形式
5 铝型材材料的选择
铝合金车体在列车的运行过程中，承受着来自各个方面的作用力。在车体设计时，车体必须满足强度、刚度和疲劳强度的条件要求，同时也要考虑制造过程中焊接和加工的可行性。除此之外，还应考虑到铝合金材料的可挤压性和热处理性。目前，铝合金车体设计中一般采用6000系列和7000系列的铝合金材料。表1列出了车体设计中常用的几种铝合金型材的选用参数。
国外车体设计时多数选择6000系列的铝合金型材。6000系属于居中强度合金，有极好的压力成型性，焊接性能和抗腐蚀性能也很好，无应力腐蚀倾向。可热处理强化，用“T”来表示，淬火后具有良好的机械性能；如果需要，热处理可达到很高的强度。但在焊缝区，强度有所降低。
我国目前设计的铝合金车体多数为全焊接车体，车体结构型材材料按DIN5513标准，底架边梁和地板、侧墙、车顶、端墙都优先选择采用6000系列铝合金型材，而底架前端，牵引梁、枕梁、缓冲梁、外端墙立柱、端角柱等重要承载部位采用7000系列的7005铝合金型材或6000系列的6082铝合金型材。车体结构所用材料及其性能如表1所示。
表1 常用的铝合金型材选用参数
铝合金型材
材料
厚度/mm
拉伸极限/MPa
屈服极限/MPa
延伸率/A%
硬度
可焊性
可挤压性
热处理状态
6005A（T6）
≤5
255
215
8
85
优
优
T6
5＜t≤15
250
200
6061
(T6)
≤5
260
240
9
91
优
优
T6
5＜t≤15
260
240
6008
(T6)
≤5
255
215
8
85
优
优
T6
5＜t≤15
250
200
6082
(T6)
≤5
290
250
8
95
优
优
T6
5＜t≤15
310
260
6106
t≤10
250
200
8
75
优
优
7005
t≤40
350
290
10
110
良
良
T6
6 结论
本文给出了几种影响型材设计的因素，筋板的设计，型腔的设计，插口接头的设计，承载C型槽的设计以及铝型材材料的选择,除以上所提到的几种因素外，还有诸如型材的挤压工艺性，型材的承载结构等，设计时应根据型材功能及受力情况进行具体分析再根据以上原则进行设计。
参考文献
[1] 刘静安. 大型工业铝合金型材的挤压生产工艺与关键技术[M].2001.
[2] EN12663.铁道应用－轨道车身的结构要求[M].
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