不锈钢点焊车体结构的耐撞性研究

谢素明 ，张霖 ，刘晋

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028；2.中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司 技术中心，河北 唐山 063035)

不锈钢点焊车体结构的耐撞性研究

谢素明1，张霖1，刘晋2

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028；2.中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司 技术中心，河北 唐山 063035)

某不锈钢点焊地铁车车体正面碰撞时，因其吸能结构吸能效果不足，致使客室区域出现皱褶变形情况.通过研究车体吸能结构的材料特性、壁厚、预变形以及结构形状对其吸能特性的影响，筛选出最优车体吸能结构.车体改进后前端吸能结构吸能占车体总吸能的93.5%，较原方案提高28.2%.

点焊车；耐撞性；吸能结构

0 引言

不锈钢点焊车因其具有高耐腐蚀性、车体自重轻、维修费用以及运营成本相对较低等优点而逐渐成为国内外轨道交通轻量化车体的主流.不锈钢车体通常采用复合式底架承载结构，这样的结构设计形式使得车体纵向刚度的突变不可避免，致使车体正面碰撞时客室区域易发生塑性变形，所以，点焊车体吸能结构的吸能特性设计极为重要.在不锈钢点焊车体制造与工艺研究方面，王洪亮和王亭以点焊参数监测仪为智能监控终端开发网络化不锈钢车体点焊质量管理系统[1]；王雪芳等阐述了不锈钢车体制造基本工艺技术及其研制中的重点工艺验证方法[2]；彭章祝和吴志明分析了不锈钢车体各部件在制造过程中应用电阻焊、激光焊、MAG及TIG焊等焊接工艺的特点及合理性[3].运用有限元仿真分析方法，黄志宏和许彦强研究高速不锈钢车体结构并指出在不锈钢车体有限元建模和仿真分析时必须要重点关注结构的稳定性等问题[4]；刘婷婷等研究不锈钢点焊地铁车体结构的稳定性，发现该车局部结构失稳现象严重，并通过加密侧墙焊点提高侧墙的临界载荷[5].为提高具有复合式底架承载结构的不锈钢点焊车体的耐撞性，本文借助研究材料特性、壁厚、预变形以及结构形状对其吸能结构的吸能特性的影响分析，对车体吸能结构进行最优设计，并通过整车碰撞数值仿真进行验证.

1 车体耐撞性设计思想

传统车体耐撞性结构的设计思想是以保证车体承载结构的完整性为主要目的，即车体在发生碰撞时不允许出现塑性变形.EN 12663—2010标准给出了地铁、快速交通车辆和轻轨车等P-III类客运车辆的车体两端腰部高度与车顶边梁高度处的纵向压缩设计载荷(载荷施加方式参见图1).在上述载荷作用下，利用线弹性有限元分析方法对车体进行强度分析，并依据分析结果进行结构改进设计.

图1 车体一位端纵向载荷施加方式

当前，车体耐撞性设计的目标是：碰撞时产生可控的有序变形来吸收能量，即车体端部吸能结构发生塑性变形吸收冲击动能，乘客区域产生弹性变形.究其实质是要求车体结构纵向刚度设计有合理的变化梯度.

整体承载式吸能结构与模块式吸能结构是车体吸能结构设计的两种型式，参见图2.前者是将吸能结构与车体结构集成在一起，车体碰撞时主要由吸能结构产生塑性变形吸收动能；后者是将吸能元件与防爬器集成，通过螺栓等机械连接方式安装到车体底架前端.与整体承载式结构相比，尽管模块式吸能结构安装维修相对简便，但结构设计复杂且吸能容量一般.所以，承载式吸能结构在城轨地铁车辆上获得广泛的应用.

(a)整体承载式 (b)模块式

图2 车体吸能结构的两种设计型式

车辆碰撞是一个包含几何、材料及边界等多重高度非线性的瞬态响应过程，线弹性有限元方法不能满足碰撞仿真分析的要求，因此，国外相关研究机构成功地开发了用于车辆碰撞仿真分析的有限元程序，如：LS-DYNA3D、PAM-CRASH、MSC/DYTRAN.

2 点焊车体结构的耐撞性问题

图3为点焊车体典型复合式底架结构示意图，图中部件1为碳钢边梁，部件2为不锈钢边梁.由图3可以看出：具有复合式底架承载结构的不锈钢车体结构的纵向刚度在枕内碳钢边梁截止处发生突变.当车体正面碰撞时，在纵向冲击载荷作用下，车体的这一纵向刚度突变部位极易产生应力集中，导致客室区域出现塑性变形.

图3 点焊车体典型复合式底架结构

某不锈钢点焊车在满载状态下以25 km/h的速度撞击刚性墙，碰撞时间为200 ms时头车车体的变形如图4所示.从图4可以看出：前端吸能结构和客室区域的底架和侧墙均发生了塑性变形，并且客室区域底架出现塑性变形的位置为碳钢边梁截止处.车体能量及其端部吸能随时间的变化曲线如图5所示，初始时刻车体动能为1 021.69 kJ，200 ms时车体动能为25.39 kJ，端部吸能结构吸收651.32 kJ能量，仅占总吸能的65.3%.

图4 点焊车体碰撞变形图

(a)全局能量

(b)端部吸能

3 车体吸能结构的优化设计及整车验证

点焊车体初始方案的吸能结构为矩形薄壁筒形结构，其尺寸为560 mm×72 mm×148 mm.发生碰撞时，吸能结构应能按照可控方式变形，且要满足吸能和撞击力达到一定的指标.综合考虑影响吸能结构吸能特性的主要因素(材料特性、预变形、壁厚以及形状)，车体吸能结构的优化设计过程如图6所示.

图6 车体吸能结构的优化设计

相同碰撞条件下，不锈钢SUS301L四个等级DLT、ST、MT、HT的吸能结构的撞击力和吸收的能量随时间的变化曲线如图7所示；两种预变形方案的撞击力和吸收的能量随时间的变化曲线如图8所示；三种壁厚的撞击力和吸收的能量随时间的变化曲线如图9所示；两种形状的撞击力和吸收的能量随时间的变化曲线如图10所示.结合图7～10，可以看出：材料为SUS301L MT级、开四个对称方孔、壁厚4 mm的锥形管吸能结构的撞击力为562.33 kN，较初始方案的增加74%；但在相同的碰撞时间吸收的能量为139.58 kJ，较初始方案的增加了将近2.4倍.

(a)撞击力-时间

(b)吸能-时间

(a)撞击力-时间

(b)吸能-时间

(a)撞击力-时间

(b)吸能-时间

(a)撞击力-时间

(b)吸能-时间

为验证吸能结构优化后能否达到预期目标，将对装有优化方案吸能结构的点焊车体(参见图11)进行撞击刚性墙的仿真试验.

图11 改进后点焊车车体结构

图12给出了车体在碰撞过程中全局能量及端部吸能随时间的变化曲线图，可以看出：在碰撞初始时刻的车体动能为1 064.28 kJ，200 ms时车体动能为30.16 kJ，该过程中车体总吸能为1 034.12 kJ，其中前端吸能结构吸能966.81 kJ，占车体总吸能的93.5%，比原方案吸能提高了28.2%.

(a)全局能量

(b)端部吸能

车体在碰撞200 ms时的变形如图13所示，从图13可以看出：仅有车体前端吸能结构发生了塑性变形.

图13 改进后车体碰撞变形图

4 结论

不锈钢点焊车体结构大变形碰撞仿真结果表明：

(1)当车体正面碰撞时，车体底架枕内碳钢边梁截止区域易产生应力集中，导致客室区域塑性变形.所以，应重点关注该区域部件纵向刚度的设计；

(2)相同碰撞条件、壁厚、材料、预变形下，与方形结构相比，在相同的碰撞时间内，锥形吸能结构吸收的能量增加了140%；碰撞力增加了74%；

(3)与原方案相比，改进后车体前端吸能结构发生纵向折叠塑性变形，客室区域仅发生弹性变形；碰撞200 ms时，前端吸能结构吸能966.81 kJ，占车体总吸能的93.5%，提高了28.2%；撞击力的最大峰值为1 116.38 kN，降低了19.4%.

[1]王洪亮，王亭，徐国成．不锈钢城轨客车车体电阻点焊质量监控[J]．焊接技术，2010，39(10)：60- 62.

[2]王雪芳，蒋正光，袁立祥.城轨车辆不锈钢车体制造技术研究[J].电力机车与城轨车辆，2012，35(3)：76- 78.

[3]彭章祝，吴志明．城轨不锈钢车体制造焊接工艺研究[J]．现代机械，2012(3)：1- 3.

[4]黄志宏，许彦强．不锈钢车体结构设计及仿真分析要点[J]．铁道车辆，2012，50(6)：14- 18.

[5]刘婷婷，刘海涛，陈秉智．不锈钢点焊地铁车车体结构稳定性分析[J]．大连交通大学学报，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

国家科技支撑计划课题资助项目(2013BAG21Q01)

谢素明(1965-)，女，教授，博士，主要从事车辆工程CAE关键技术研究

E-mail:sumingxie@163.com.

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