雙層不銹鋼車體焊接結構設計

張碩韶 王力

摘要：按照美國客運軌道車輛的設計標準，采用符合美標的低碳不銹鋼和低合金高強鋼進行車體結構設計，其中雙層不銹鋼車體點焊焊接接頭的設計符合AWD D17.2和AWS C1.1焊接標準，弧焊焊接接頭形式根據不同板厚分別按照AWS D1.1和AWS D17.2進行設計。車體各大部件和車體總成適合模塊化制造，焊接變形小，側墻、側頂、端墻等可視表面平整度好，能滿足車體優美、平滑的外觀要求。車體靜強度、屈曲計算結果和試驗數據對比分析表明，試驗車體的強度符合美國客運軌道車輛的設計標準APTA PR-CS-S-034-99，產品安全可靠。

關鍵詞：雙層不銹鋼車體;結構設計;焊接接頭;彈性極限

中圖分類號：TG457? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0083-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.17

0? ? 前言

按照招標要求，某雙層不銹鋼客車由機車牽引，采取7輛編組，運營速度160 km/h，最高試驗速度>176 km/h。車體主體結構由弧焊骨架和點焊蒙皮組焊而成，為板、梁組合的筒型整體承載結構，在滿足車體強度和剛度的前提下，同時滿足車輛的碰撞吸能要求，車體外表面為無涂裝形式。車體強度需符合美國客運軌道車輛的設計標準APTA PR-CS-S-034-99[1]，車體質量小于等于22.5 t。為滿足車鉤區域最大縱向載荷363 t的要求，首次采用邊梁傳力70%、魚腹中梁傳力30%縱向載荷的定向設計模式;為滿足端部227 t的端梁壓縮和227 t的防撞柱根部剪切要求，采用端部模塊設計型式，將緩沖梁、車鉤托梁和端墻一體設計，一體制造。車體各大部件和車體組成結構符合美國標準焊接要求，同時采用冷調的制造工藝控制車體變形及尺寸公差， 按照APTA-PR-CS-S-034-99《客運軌道車輛的設計和制造標準》和49 CFR 238子部分C《客運設備具體要求》[2]進行車體靜強度計算和試驗，車體各處應力均小于彈性極限，車端防撞柱塑性變形小于規定，可檢區域無失穩變形，滿足標準及招標標書要求。

1 雙層不銹鋼客車主要技術參數

車體采用模塊化設計，不僅可以降低制造誤差，滿足表面質量要求，還能簡化組裝制造工藝，提高生產效率。優化后的客車主要技術參數見表1。

2 不銹鋼車體母材、焊接材料及弧焊標準的選擇

2.1 不銹鋼車體母材

由于車體表面為無涂裝型式，為使車體具有很好的防腐性能，除端部底架、端角柱、防撞柱選用高強度低合金鋼A588和A710外，其他主結構材料均選擇含碳量不超過0.03%的奧氏體不銹鋼301L，同時為減輕車體自重，上層地板選用6000系鋁合金，具體材料如表2所示。

301L不銹鋼是符合A666[3]標準的低碳奧氏體不銹鋼，經過固溶熱處理后具有完全的奧氏體組織，在室溫下呈現單相奧氏體狀態。301L不銹鋼本身具有高韌性和塑性，經冷軋加工后能提高其屈服強度和抗拉強度，并且冷彎成型及壓制加工性好。針對厚度6 mm以下的不銹鋼板，通過控制壓延率的大小，獲得屈服強度和抗拉強度由低到高分別為L、1/16Hard、1/8Hard、1/4Hard、1/2Hard等5個強度等級的不銹鋼。

A588[4]是符合美標的高強度低合金鋼，通過Cu、P、Cr、Ni等的合金化在金屬基體表面形成保護層，具有較高的耐大氣腐蝕性能。A710[5]也是符合美標的高強度低合金鋼，其屈服強度較高，因車體減重需要，在端部底架少量使用。

車體材料性能如表3所示，高強度低合金鋼焊縫區的許用應力僅用于全熔透焊縫區靜強度的校核。

2.2 焊接材料

綜合考慮焊接接頭的力學性能、防腐性能及填充材料的工藝性，在AWS A5.9和AWS A5.28標準中選擇性能匹配的4種焊接填充材料，即ER308LSi、ER309LSi、ER80S-G、ER100S-G，如表4所示，經焊接工藝評定驗證，4種焊接填充材料滿足設計要求。

2.3 弧焊標準

車體主體材料涉及奧氏體不銹鋼和低合金高強鋼兩類材料，同時因設計需求也會選用薄板和厚板。按照美國焊接標準體系，根據母材種類和板厚的不同需要選擇不同的弧焊焊接標準。低合金高強鋼弧焊執行AWS D1.1，厚度小于3 mm的薄鋼板弧焊執行AWS D1.3;不銹鋼與不銹鋼弧焊、不銹鋼與低合金高強鋼弧焊執行AWS D1.6;厚度小于1.6 mm的薄鋼板對接焊縫執行AWS D15.1;厚度小于3 mm的薄鋼板角焊縫焊接執行AWS D15.1。

3 雙層不銹鋼車體結構

3.1 車體總成

雙層不銹鋼客車車體總長25 630 mm，為中部具有魚腹下沉的底層地板和上層地板的雙層結構型式，是由不銹鋼板材和冷彎型鋼拼焊而成的筒型整體承載結構，具有良好的防振、隔音效果和較好的防腐性能。車體主體由底架、側墻、車頂、端墻、上層地板組成，為使車體具有足夠的抗垂彎和抗扭轉能力，結構設計上要求底架橫梁、側柱和車頂彎梁三種承載件在車體的橫斷面上交圈，底架下層地板和中頂板均采用波紋形式，該結構形式在不增加質量的情況下，能有效提高車體的縱向剛度。側墻與底架、側墻與車頂的骨架連接采用電弧焊，側頂板與側墻、側墻板與底架的連接采用點焊，雙層車體斷面示意如圖1、圖2所示。

側墻與車頂的骨架連接主要通過車頂彎梁與側墻上邊梁的角焊連接，側頂板為無雨檐形式，與側墻的連接在大部分區域為點焊焊接，無法點焊的區域采用弧焊。車頂與側墻的點焊連接形式如圖3所示。

側墻與底架的骨架連接主要通過側墻立柱與底架槽型上邊梁的角焊連接，側墻下墻板為平板，與底架的連接為點焊焊接，側墻與底架的連接形式如圖4所示。

上層地板位于車體魚腹段，構成“ 筒型整體承載結構 ”的一部分，即在車端是單筒，在中部是上下兩層的雙筒。上層地板為鋁合金型材拼焊而成，與側墻的連接形式為鉚接連接。側墻上安裝有托梁，托梁與上層地板有一定的間隙，便于在橫向上小幅度調整安裝位置。上層地板通過哈克鉚釘與地板安裝托梁鉚接，連接形式如圖5所示。

3.2 底架組成

底架由端底架、底架側部、底層橫梁、底層地板、中梁和邊梁組成。邊梁斷面為槽型，縱向貫通，一位端底架、二位端底架和底架側部均與邊梁弧焊連接，端底架與邊梁的連接為嵌套式。中梁斷面為乙型，與端底架、中部橫梁、邊部橫梁采用弧焊連接。底架側板與側部骨架、中部橫梁與底層地板均采用點焊連接。

3.3 車頂組成

車頂由通長側頂、中間高頂和兩端的平頂五部分焊接而成。側頂由小彎梁和側頂板點焊在一起，中頂板為厚1 mm的波紋板，波高12 mm，與“ 乙 ”型彎梁點焊連接，具有足夠的垂向和縱向剛度，取代車頂縱向梁。按照美國交通法規，在車頂設計了2個緊急逃生孔。

3.4 側墻組成

按總體設計要求，每個側墻有4個側門口，在門口處出現局部結構斷開，參與整體承載時會產生局部應力升高和應力集中。為降低應力和減小應力集中，增加側門柱和門口上橫梁的截面模量，并在上、下門角處增加補強結構件。

側墻由側墻骨架和側墻板點焊而成，側墻骨架由多個窗口模塊和門口模塊通過弧焊連接。為防止試驗加載產生塑性變形，在高壓應力區設計成抗屈曲變形結構。側墻板為120#的拉絲平板，在立柱之間內襯M型補強件，縱向點焊間距均等，以提高側墻平面度和局部剛度，滿足外觀的美觀性要求及承載需求。

3.5 端墻組成

端墻由端墻板和端墻骨架點焊連接，端墻骨架由端梁、防撞柱、端角柱、橫梁和車鉤托梁拼焊而成，采用弧焊連接形成堅固、穩定的框架，防撞柱和端角柱貫穿端梁的上下面，通過坡口焊與端梁連接，提供足夠的抗剪力。

4 車體靜強度計算及方案改進

4.1 靜強度計算

依據APTA-PR-CS-S-034-99《客運軌道車輛的設計和制造標準》和49 CFR 238子部分C 《客運設備具體要求》標準，同時執行招標技術條件的要求進行車體靜強度計算，計算載荷工況如表5所示。

采用有限元分析軟件HyperMesh、ANSYS和Abaqus對雙層不銹鋼車體靜強度進行有限元分析，采用HyperMesh軟件進行有限元模型前處理，采用ANSYS求解器進行線性分析，采用Abaqus求解器進行非線性分析。為了計算的準確性，整車模型構成以任意四節點薄殼單元為主，三節點薄殼單元為輔，點焊結構采用梁單元，復雜結構采用實體單元。車體有限元模型共計單元總數2 730 628，節點總數1 976 897。按照車鉤縱向壓縮、端梁縱向壓縮、對角架車、司機室端防撞柱彈塑性等多個載荷工況，對車體結構進行了靜強度有限元計算。計算結果顯示，除個別點外，車體各部位的母材和焊縫計算應力均小于許用應力，基本達到設計要求，車鉤縱向壓縮工況下的車體應力云圖和底架變截面處應力分別如圖6、圖7所示。

4.2 車體方案改進

由于雙層不銹鋼車體截面模量的增大和整體結構的加強，車體整體剛度提升。在超常載荷AW3工況下，車體一階垂向彎曲振動頻率為7.63 Hz，與轉向架二系懸掛自振頻率的比值為4.8，但在計算過程中仍然存在底架邊梁區域和窗角區域等高應力區，通過采用改變傳力路徑、增強連接區域節點支撐、優化局部焊接結構、將焊縫位置從高應力區轉移、提高車體材料屈服強度等級等方法，有效地降低了重點關注區域的應力水平。通過對多種方案的分析計算并逐步改進，車體的整體強度水平滿足APTA PR-CS-S-034-99標準要求。

計算結果顯示，車鉤壓縮3 560 kN+垂向載荷AW0工況下靠近底架邊梁內補板開孔邊緣處應力值為334 MPa，如圖8所示，邊梁內補板材質選用高強度低合金鋼A588，許用應力值為330 MPa。

經分析，內補板開孔邊緣處計算應力值超過許用應力值4 MPa，綜合考慮，沒有采用增加內補板的厚度或提升材料的屈服強度等級的方法，僅將內補板開孔尺寸減小了20 mm。計算結果表明，改進后內補板開孔邊緣處應力值為320 MPa，如圖9所示，小于許用應力值。

計算結果顯示，車鉤壓縮3 560 kN+垂向載荷AW0工況下靠近底架蓄電池箱開口的下層窗口的上角應力值為536 MPa，側墻板材質選用高屈服強度等級的不銹鋼301L-1/2Hard，如圖10所示，許用應力值為448 MPa。

為降低窗角處的計算應力，將開口形式的窗口立柱改為閉口的矩形鋼管，同時在窗角處增加乙型補強件，該件與窗口立柱、側墻板及窗上縱梁焊接，進行局部補強。改進后，靠近底架蓄電池箱開口的下層窗口的上角處應力值為322 MPa，如圖11所示，小于許用應力值。經多次焊接結構優化，車體母材和焊縫的計算應力均小于許用應力，車體設計結構滿足靜強度要求。

5 車體靜強度試驗驗證

按照表5中的載荷工況進行了車體靜強度試驗。試驗臺最大加載能力為5 000 kN，可模擬各個工況載荷。車鉤區域壓縮載荷3 560 kN+垂向載荷AW0復合工況試驗照片如圖12所示。

根據計算結果，試驗時重點關注了窗角、門角及底架變截面處等高應力區域。底架邊梁內補板開孔邊緣處應變片位置（143-UF-40-Q3-S）如圖13所示，第一種工況下該處應力值為325 MPa，小于許用應力值。靠近底架蓄電池箱開口的下層窗口的上角處應變片位置（340-SW-16-Q3-S）如圖14所示，第一種工況下該處應力值為436 MPa，小于許用應力值。試驗結果表明，車體各點檢測應力值均小于許用應力值，其靜強度滿足APTA-PR-CS-S-034-99《客運軌道車輛的設計和制造標準》和49 CFR 238子部分C《客運設備具體要求》標準的要求。

6 結論

為了滿足車體強度和車體輕量化的要求，可以選用許用應力較高的材料，如端部底架選用A710，側墻板選用301L-1/2Hard。鑒于鋼材種類的不同以及板厚的差別，弧焊標準的選用應該根據標準的適用范圍綜合考慮。底架橫梁、側柱和車頂彎梁三種承載件在車體橫斷面上交圈的結構型式，能有效提高車體抗垂彎和抗扭轉能力。

文中提出的車體主體結構傳力模式切實可行，經反復優化，有效地降低了窗角、門角、底架變截面處等重點關注區域的計算應力。車體靜強度試驗結果表明，車體強度滿足APTA-PR-CS-S-034-99《客運軌道車輛的設計和制造標準》和 CFR 49-238子部分C《客運設備具體要求》標準的要求，同時，焊接結構的工藝性也得到了相應驗證。

參考文獻：

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