不銹鋼點焊車體結構的耐撞性研究

謝素明 ，張霖 ，劉晉

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028；2.中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司 技術中心，河北 唐山 063035)

不銹鋼點焊車體結構的耐撞性研究

謝素明1，張霖1，劉晉2

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028；2.中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司 技術中心，河北 唐山 063035)

某不銹鋼點焊地鐵車車體正面碰撞時，因其吸能結構吸能效果不足，致使客室區域出現皺褶變形情況.通過研究車體吸能結構的材料特性、壁厚、預變形以及結構形狀對其吸能特性的影響，篩選出最優車體吸能結構.車體改進后前端吸能結構吸能占車體總吸能的93.5%，較原方案提高28.2%.

點焊車；耐撞性；吸能結構

0 引言

不銹鋼點焊車因其具有高耐腐蝕性、車體自重輕、維修費用以及運營成本相對較低等優點而逐漸成為國內外軌道交通輕量化車體的主流.不銹鋼車體通常采用復合式底架承載結構，這樣的結構設計形式使得車體縱向剛度的突變不可避免，致使車體正面碰撞時客室區域易發生塑性變形，所以，點焊車體吸能結構的吸能特性設計極為重要.在不銹鋼點焊車體制造與工藝研究方面，王洪亮和王亭以點焊參數監測儀為智能監控終端開發網絡化不銹鋼車體點焊質量管理系統[1]；王雪芳等闡述了不銹鋼車體制造基本工藝技術及其研制中的重點工藝驗證方法[2]；彭章祝和吳志明分析了不銹鋼車體各部件在制造過程中應用電阻焊、激光焊、MAG及TIG焊等焊接工藝的特點及合理性[3].運用有限元仿真分析方法，黃志宏和許彥強研究高速不銹鋼車體結構并指出在不銹鋼車體有限元建模和仿真分析時必須要重點關注結構的穩定性等問題[4]；劉婷婷等研究不銹鋼點焊地鐵車體結構的穩定性，發現該車局部結構失穩現象嚴重，并通過加密側墻焊點提高側墻的臨界載荷[5].為提高具有復合式底架承載結構的不銹鋼點焊車體的耐撞性，本文借助研究材料特性、壁厚、預變形以及結構形狀對其吸能結構的吸能特性的影響分析，對車體吸能結構進行最優設計，并通過整車碰撞數值仿真進行驗證.

1 車體耐撞性設計思想

傳統車體耐撞性結構的設計思想是以保證車體承載結構的完整性為主要目的，即車體在發生碰撞時不允許出現塑性變形.EN 12663—2010標準給出了地鐵、快速交通車輛和輕軌車等P-III類客運車輛的車體兩端腰部高度與車頂邊梁高度處的縱向壓縮設計載荷(載荷施加方式參見圖1).在上述載荷作用下，利用線彈性有限元分析方法對車體進行強度分析，并依據分析結果進行結構改進設計.

圖1 車體一位端縱向載荷施加方式

當前，車體耐撞性設計的目標是：碰撞時產生可控的有序變形來吸收能量，即車體端部吸能結構發生塑性變形吸收沖擊動能，乘客區域產生彈性變形.究其實質是要求車體結構縱向剛度設計有合理的變化梯度.

整體承載式吸能結構與模塊式吸能結構是車體吸能結構設計的兩種型式，參見圖2.前者是將吸能結構與車體結構集成在一起，車體碰撞時主要由吸能結構產生塑性變形吸收動能；后者是將吸能元件與防爬器集成，通過螺栓等機械連接方式安裝到車體底架前端.與整體承載式結構相比，盡管模塊式吸能結構安裝維修相對簡便，但結構設計復雜且吸能容量一般.所以，承載式吸能結構在城軌地鐵車輛上獲得廣泛的應用.

(a)整體承載式 (b)模塊式

圖2 車體吸能結構的兩種設計型式

車輛碰撞是一個包含幾何、材料及邊界等多重高度非線性的瞬態響應過程，線彈性有限元方法不能滿足碰撞仿真分析的要求，因此，國外相關研究機構成功地開發了用于車輛碰撞仿真分析的有限元程序，如：LS-DYNA3D、PAM-CRASH、MSC/DYTRAN.

2 點焊車體結構的耐撞性問題

圖3為點焊車體典型復合式底架結構示意圖，圖中部件1為碳鋼邊梁，部件2為不銹鋼邊梁.由圖3可以看出：具有復合式底架承載結構的不銹鋼車體結構的縱向剛度在枕內碳鋼邊梁截止處發生突變.當車體正面碰撞時，在縱向沖擊載荷作用下，車體的這一縱向剛度突變部位極易產生應力集中，導致客室區域出現塑性變形.

圖3 點焊車體典型復合式底架結構

某不銹鋼點焊車在滿載狀態下以25 km/h的速度撞擊剛性墻，碰撞時間為200 ms時頭車車體的變形如圖4所示.從圖4可以看出：前端吸能結構和客室區域的底架和側墻均發生了塑性變形，并且客室區域底架出現塑性變形的位置為碳鋼邊梁截止處.車體能量及其端部吸能隨時間的變化曲線如圖5所示，初始時刻車體動能為1 021.69 kJ，200 ms時車體動能為25.39 kJ，端部吸能結構吸收651.32 kJ能量，僅占總吸能的65.3%.

圖4 點焊車體碰撞變形圖

(a)全局能量

(b)端部吸能

3 車體吸能結構的優化設計及整車驗證

點焊車體初始方案的吸能結構為矩形薄壁筒形結構，其尺寸為560 mm×72 mm×148 mm.發生碰撞時，吸能結構應能按照可控方式變形，且要滿足吸能和撞擊力達到一定的指標.綜合考慮影響吸能結構吸能特性的主要因素(材料特性、預變形、壁厚以及形狀)，車體吸能結構的優化設計過程如圖6所示.

圖6 車體吸能結構的優化設計

相同碰撞條件下，不銹鋼SUS301L四個等級DLT、ST、MT、HT的吸能結構的撞擊力和吸收的能量隨時間的變化曲線如圖7所示；兩種預變形方案的撞擊力和吸收的能量隨時間的變化曲線如圖8所示；三種壁厚的撞擊力和吸收的能量隨時間的變化曲線如圖9所示；兩種形狀的撞擊力和吸收的能量隨時間的變化曲線如圖10所示.結合圖7～10，可以看出：材料為SUS301L MT級、開四個對稱方孔、壁厚4 mm的錐形管吸能結構的撞擊力為562.33 kN，較初始方案的增加74%；但在相同的碰撞時間吸收的能量為139.58 kJ，較初始方案的增加了將近2.4倍.

(a)撞擊力-時間

(b)吸能-時間

(a)撞擊力-時間

(b)吸能-時間

(a)撞擊力-時間

(b)吸能-時間

(a)撞擊力-時間

(b)吸能-時間

為驗證吸能結構優化后能否達到預期目標，將對裝有優化方案吸能結構的點焊車體(參見圖11)進行撞擊剛性墻的仿真試驗.

圖11 改進后點焊車車體結構

圖12給出了車體在碰撞過程中全局能量及端部吸能隨時間的變化曲線圖，可以看出：在碰撞初始時刻的車體動能為1 064.28 kJ，200 ms時車體動能為30.16 kJ，該過程中車體總吸能為1 034.12 kJ，其中前端吸能結構吸能966.81 kJ，占車體總吸能的93.5%，比原方案吸能提高了28.2%.

(a)全局能量

(b)端部吸能

車體在碰撞200 ms時的變形如圖13所示，從圖13可以看出：僅有車體前端吸能結構發生了塑性變形.

圖13 改進后車體碰撞變形圖

4 結論

不銹鋼點焊車體結構大變形碰撞仿真結果表明：

(1)當車體正面碰撞時，車體底架枕內碳鋼邊梁截止區域易產生應力集中，導致客室區域塑性變形.所以，應重點關注該區域部件縱向剛度的設計；

(2)相同碰撞條件、壁厚、材料、預變形下，與方形結構相比，在相同的碰撞時間內，錐形吸能結構吸收的能量增加了140%；碰撞力增加了74%；

(3)與原方案相比，改進后車體前端吸能結構發生縱向折疊塑性變形，客室區域僅發生彈性變形；碰撞200 ms時，前端吸能結構吸能966.81 kJ，占車體總吸能的93.5%，提高了28.2%；撞擊力的最大峰值為1 116.38 kN，降低了19.4%.

[1]王洪亮，王亭，徐國成．不銹鋼城軌客車車體電阻點焊質量監控[J]．焊接技術，2010，39(10)：60- 62.

[2]王雪芳，蔣正光，袁立祥.城軌車輛不銹鋼車體制造技術研究[J].電力機車與城軌車輛，2012，35(3)：76- 78.

[3]彭章祝，吳志明．城軌不銹鋼車體制造焊接工藝研究[J]．現代機械，2012(3)：1- 3.

[4]黃志宏，許彥強．不銹鋼車體結構設計及仿真分析要點[J]．鐵道車輛，2012，50(6)：14- 18.

[5]劉婷婷，劉海濤，陳秉智．不銹鋼點焊地鐵車車體結構穩定性分析[J]．大連交通大學學報，2013，34(1)：6- 9.

Crashworthiness Research on Stainless Steel Spot-Welding Car-Body

XIE Suming1,ZHANG Lin1,LIU Jin2

(1.School of Traffic and Transportaion Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.CNR Tangshan Railway Vehicle Co.,Ltd,Technology Center,Tangshan 063035,China)

Passenger compartment region of a stainless steel spot-welding car-body would be wrinkled,due to deficiency of its energy-absorbing structure,when it encountered a frontal collision.An optimal energy-absorbing structure of the car-body is deduced,considering influence of material properties,thickness,pre-deformed and structure shape on energy absorption characteristics.Absorbing energy of the optimal structure is improved by 28.2%,compared to original structure.

spot-welding vehicle;crashworthiness;absorbing structure

1673- 9590(2015)01- 0010- 05

2014- 03- 28

國家科技支撐計劃課題資助項目(2013BAG21Q01)

謝素明(1965-)，女，教授，博士，主要從事車輛工程CAE關鍵技術研究

E-mail:sumingxie@163.com.

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