高速列车车体铝合金侧墙疲劳性能研究

高速列车车体铝合金侧墙疲劳性能研究

孙维浩 ,张合礼,徐浩

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266109

摘要：高速列车车体主要由大型空心铝合金挤压型材组成，车体结构由底架、侧壁、车顶、端壁等组成。铝合金车体的主要生产方法是焊接，疲劳失效是其主要失效形式。目前，国内外材料的疲劳特性主要集中在焊接接头上，大型铝合金的焊接结构尚处于起步阶段。对铝合金侧壁焊接结构进行了疲劳试验和数值模拟。结果表明，在考虑空气动力作用的情况下，采用最大主应力评估方法，求出了不同的可靠度下古德曼疲劳曲线。通过对车体结构的分析，得出了车体结构的脆弱性与传统车体结构存在的差异，并与车体的疲劳破坏点相吻合。

关键词：铝合金侧墙；焊接结构；疲劳性能；应力集中

1高速列车车体铝合金侧墙疲劳强度性能分析方法

疲劳强度特性的计算方法与静态强度特性理论基本一致，但其基本思想是以应力为变量，采用应力作为变量，对结构进行了应力和平均应力的控制。古德曼曲线是我国《暂行规定》中的一项重要内容。其能反映应力幅值和平均值等因素的综合作用。

在各种可靠性条件下，使用几何绘制方法绘制古德曼曲线。在此基础上，对材料的特性进行了分析。在不同可靠性下，由材料疲劳强度变化系数计算的古德曼曲线的变化系数为0.0885，屈服极限变化率为0.07。在疲劳状态下，计算中考虑了空气载荷的影响，因此更全面地考虑了车辆的工作状态，从而也充分考虑了载荷下的应力分布。通过分析古德曼在不同可靠性下的可靠性，得到了不同可靠性下列车的疲劳强度和性能。古德曼曲线法在实际工程中得到了广泛应用。通过分析铝合金车身材料的特点，并在此基础上，对铝合金车身进行了综合评价。

古德曼疲劳强度曲线是列车车身材料的允许疲劳极限，其平均拉力与振动幅值相适应。在对结构进行疲劳强度评价时，将各关注点的平均应力与可接受的材料强度进行对比。在不超出容许范围时，应计算出相应的安全系数；在古德曼曲线封闭的范围内，则意味着结构在承受107个外部载荷后经历了疲劳破坏。

表1车体材料基本性能参数

2车体疲劳强度载荷工况的确定

由于列车速度的提高，其结构承受的载荷略好于常规铁路车辆。高速行驶时，其结构所承受的载荷略好于常规铁路车辆，高速行驶时车体侧壁也会承受很大的气压。因此，车体的设计应充分考虑上述因素的综合影响，以便更好地模拟实际工况。研究了对车体疲劳强度有一定影响的气动载荷，即开放线路通过车辆的空气载荷，并将其与其他载荷相结合，形成车体的疲劳强度载荷状态。

（1）车体上的垂直载荷

（2）垂直静载荷对平均疲劳应力有一定影响，其大小等于车体总质量。车身的垂直载荷以分布载荷的形式施加在车身底部，计算结果如下：

(1)

式中：

——行驶条件下的车辆的竖直负荷；

——假定其重量38.80 t，正在使用的列车的总质量；

——重力加速度981米/m2；

——车辆在充足的情况下的质量；、

——80个二级车辆的人数；

——每位乘客的重量，单位为80kg；

——行李箱每平方米的重量，单位为300kg/m2。

（2）列车车身所承受的竖向和纵向动力负荷

动载的大小对列车的电压动态振幅有较大的影响，是造成列车疲劳破坏的主要原因。采用惯性加速度方法，对车体及悬挂机构的质心进行了动力负荷分析。垂直动载荷，垂直动载荷等。

(2)

（3）气动载荷

在实际运行中，发现了一种新的列车窗户玻璃出现了裂缝。这不仅与垂直、横向、纵向等因素有关，而且与高速行驶时的气流载荷对摩擦力的影响也是不可忽略的。为了对列车的疲劳性能进行综合评价，将考虑高速通过状态下车身侧壁上的气动载荷的影响。在模拟和实际测试中，气动载荷只是测量点的压力-时间过程。在高速列车车体的强度分析中，必须在车体的整个壁上进行气动载荷，这需要在测量点转换压力波。大量实车实验和仿真结果表明，当开口线与车辆相交时，车体不同垂直高度处的压力波值几乎没有明显变化，相交过程可视为压力波线在车体垂直方向上的水平扫描。选取了39个300 km/h的开放式交叉口数据，通过文献验证，采用最大正向和负向两种不同的撞击形式，精确地反映了空气动力对其强度性能的影响。该方法分成10个步骤，每一个步骤0.018秒，见图1。在很长一段时间内，通过车体的压力波长度l=（300+300）×0.018/3.6=3 m，因此车辆分为6段。您可以在图2中看到。

图1计算区域时间步长

图2车体气动载荷作用分区

对于瞬时压力的转换，平均压力和瞬时压力之间的关系如下所示

(3)

(4)

那么，可以获得各区域的平均压力

(8)

式中：

P——瞬时压力；

h——气动载荷区的高度；

ΔT——时间间隔；

l——车辆上压力波的单位时间步长。

使用时域积分法，使用自制程序求解每个产品段的平均压力，并将其转换为以下气动负载状态。得到了15种气动载荷状态，其中I为FIJ（I=1,2，…，15；J表示车身面积数J=1，2，…，6），空气载荷按工作状态的顺序加载，并进行了整车仿真的全过程

表2气动载荷工况

4结语

考虑气动效应，利用最大主应力评价法对不同可靠性条件下的古德曼疲劳曲线进行了计算。通过对车身的结构进行了分析，发现车身结构的弱点与常规车身结构的疲劳抗力值是不同的，与车身的疲劳破坏点是一致的。

参考文献

[1]张凤梅. 高速列车车体抗疲劳性能研究[D].大连交通大学,2018.

[2]向鹏霖. 基于结构应力的高速列车铝合金焊接车体疲劳寿命预测方法研究[D].西南交通大学,2017.

[3]朱丹. 高速列车车体侧墙组焊工艺及质量控制[D].哈尔滨工业大学,2015.