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1、设计制造铁道车辆第42卷第9期2004年9月文章编号:10027602(2004)09000905铝合金车体结构设计构思常树民,马纪军(中国北车集团唐山机车车辆厂技术中心,河北唐山063035)摘要:从铝合金材料特性出发,介绍了铝合金车体结构的设计原则和实施方案,并采用有限元技术对该方案进行了强度及刚度分析。关键词:铝合金车体;结构;强度;刚度;有限元中图分类号:U271文献标识码:B客车车体就结构材质而言,可分为普通低碳钢车(5)易于再生。铝的熔点低(660),再生简单。体、耐候钢车体、不锈钢车体、铝合金车
2、体和玻璃钢车在废弃处理时也无公害,有利于环保,符合可持续发展体5类。战略。随着高速列车和轻轨、地铁的出现,列车的高速根据铝合金车体结构及制造、运用情况,选择材料化、轻量化、低重心化和低噪声化等课题越来越为广大时应遵循以下原则:(1)从轻量化方面考虑,要求强度、工程技术人员所重视。而铝合金以其较小的密度、较焊接性、挤压加工性、维护保养性好;(2)从寿命方面考大的比强等优良品质,逐渐被广泛应用于客车车体上,虑,要求耐蚀性、表面处理性高;(3)从制造效率方面考并由此进入铝合金车体时代。虑,要求焊接性、挤压加工性、成型加工性高。根据以上原则
3、,铝合金车体主要使用5000系列、6000系列、1铝合金材料特性7000系列的铝合金。3个系列的铝合金材料的特性及3(1)质轻且柔软。铝的密度为271g/cm,约为钢用途见表1。3密度(787g/cm)的三分之一;杨氏模量也约为钢的三分之一。表1铁道车辆常用铝合金材料的特性及用途2(2)强度好。纯铝的抗拉强度约为80MN/m,是铝合金种类主要成分特性主要用途低碳钢的五分之一。但经过热处理强化及合金化强5000系列Al耐蚀性、焊接性、建筑、船化,其强度会大幅增加。如铝合金车体常用的材质Mg(02%~56%)成型性很好,
4、强度也舶、车辆机械6005AT6,它的最低抗拉强度为360MN/m2,能达到较高,代表合金有部件、饮料罐5052、5083、5056、等低碳钢相应的强度值。5N01等(3)耐蚀性能好。铝合金的特性之一是接触空气6000系列Al耐蚀性、强度好,车辆结构时表面会形成一层致密的氧化膜,这层膜能防止腐蚀,Mg(045%~15%)有的挤压加工性也材、结构杆Si(02%~12%)好,代表合金有件、建筑用框所以耐蚀性能好。若再对其实施氧化铝膜处理法,6005A、6061、6063、架、螺栓、铆就可以全面防止腐蚀。6N01等钉等(
5、4)加工性能好。铁道车辆用型材挤压性能好,7000系列Al焊接性、耐蚀性车辆结构Zn(05%~61%)差,强度最高。Al材、飞机杆二次机加工、弯曲加工也较容易。Mg(01%~29%)ZnMg合金的焊接件、体育用品Cu(01%~20%)接头效率高,代表合收稿日期:20040109;修订日期:20040430金有7005A、7075、7178、7N01、7003等作者简介:常树民(1972),男,工程师。接处,从而避免了大梁中部的破坏。据计算结果对翻车机大梁进行了重新设计。根据现场测试结果证实,仿真计算所建
6、立的力学模型、施加的载5结论荷以及边界约束都是正确的;经现场使用证明,增加管通过应用有限单元法对翻车机钢结构进行仿真分梁转移应力到其法兰连接处的方案达到了设计目的。析和优化计算,得出不同工况下的应力和变形值,并依(编辑:方曼利)9铁道车辆第42卷第9期2004年9月钢的三分之一,杨氏模量也为钢的三分之一,要使刚度2铝合金车体的特点与钢相同,就要考虑零部件的断面形状。世界上最早的铝合金车是1952年英国研制的伦3.2.4采用大型中空挤压型材敦地铁电动车。铝合金车体的发展经历了板梁期、开采用大型中空挤压型材,取消普通车上的
7、各梁、柱口型材期和现在的大型中空挤压型材期3个发展阶及补强等,可使车体进一步轻量化,减少制造成本,延段,现在逐渐走向成熟。铝合金车体具有如下优点:长使用寿命,提高刚度。同时,为提高车内舒适性,车(1)能大幅度降低车辆自重,在车长相同的条件内宽度要尽量加大,各墙总厚度和结构型材厚度应尽下,与钢质车相比自重降低大约30%~35%,强度重量减小。量比约为钢的2倍。钢质车、不锈钢车、铝合金车车体3.2.5考虑内部设备的安装重量之比为1086。大型中空挤压型材要综合考虑座椅、茶桌、行李架(2)具有较小的密度及杨氏模量,所以铝合金对及车下
8、设备等的安装,集几个功能于一身,其位置、结冲击载荷有较高能量吸收能力,可降低振动,减少噪构尺寸与形式等均应综合考虑,以便实现标准化、模块声。化。(3)可运用大型中空挤压型材进行气密性设计,3.2.6具有良好的工艺性提高车辆密封性能,
