钢铝混合地铁车辆结构研究

【摘 要】目前我国地铁车辆车体结构按使用的材料分主要分为高耐侯结构钢车、不锈钢车和铝合金车。钢铝混合
车体结构应用较少。钢铝混合车体结构,更有利于实现车体的不同强度和刚度要求,设计出合理的安全的车体结构,具
有重要理论研究和应用前景。
【关键词】钢铝一体化;受力分析;连接方式;研究方法
一、钢铝混合结构介绍、特点及应用 
1.1钢铝混合结构车体
地铁车辆车体按使用材料可分为:碳钢车体、不锈钢车体、
铝合金车体、钢铝混合车体。钢铝混合结构也叫钢铝一体化结构,
简单的说是一种既有铝合金结构又有钢结构的设计结构。
1.2车体材料特性
1.2.1铝及铝合金。铝及铝合金作为地铁车辆车体有许多优
点,铝合金的比重为不锈钢的1/3,从理论上讲,铝合金材料更
能使车体轻量化。但是,铝合金的抗拉强度不如不锈钢。因此,
为保证地铁车辆有足够的承载强度和刚度,铝合金车辆必须采
用大型中空型材及其组合件。
1.2.2不锈钢材料。新型不锈钢车体采用超低碳的SUS301L
车辆专用经济不锈钢。通过压延率的不同分成LT,DLT,ST,
MT,HT5个强度级[1]。SUS301L的改性压延状态机械性能代号
HT的屈服点在961N/mm2以上,拉伸强度在1275N/mm2以上(超
过耐候钢一倍以上)。但其纵向弹性模量却只有钢的85%,这意
味着不锈钢车体比同样结构的耐候钢车刚度要小,刚度下降将
导致舒适性及整体机械性能下降。
1.3钢铝混合结构特点
钢铝混合结构是利用铝合金轻质材料与高强度钢材的结合应用,
使得强度合理分配到车体上,提高车体整体强度刚度的同时,减轻车
体重量和提高车体性能指标。钢铝混合结构具有以下几个主要特点:
1.3.1合理的应力分布。钢铝混结构是典型的高性能轻质材
料与优化车身结构相结合的应用结构,具有良好的应力分布。
在整个车体结构中,在不同载荷和工况要求下,各个部位的受
力状况是不一样的,我们希望设计出的产品各处的应力分布是
合理的,因此在应力小或承载低的部位可以使用强度低质量轻
的铝合金材料,从而降低成本和减轻重量;而在应力大或承载
高的部位,我们要尽可能的改善受力状况,使车体满足许用应
力的要求,同时可以考虑采用高强度的碳钢或不锈钢材料。
1.3.2刚度协调性较差。钢铝混合结构是两种不同材料的结
合,在载荷作用力下导致它们的结合处容易引起刚度突变和不
协调。而应力集中的根本原因就是由刚度不协调引起的,因此
在设计中钢铝结合处的处理是非常重要和关键的。
1.3.3连接方式的单一性。钢有材质均匀、强度高、塑性韧
性好的优点,可采用焊接、铆接、栓接等方法进行连接;铝具
有质轻、易加工等特点,可采用熔焊、电阻焊、硬焊、软焊、
粘接以及铆接、栓接等方法连接。
二、钢铝混合车体的设计结构研究
钢铝混合结构的设计、部位选择及参数优化对整车的性能
和轻量化起着重要的作用。如何确定车体结构中哪些结构或部
件使用钢材料、哪些结构使用铝材料以及它们本身的断面和板
厚等结构均是设计钢铝混合结构的关键,在降低重量的前提下,
提高车体的承载能力。
2.1钢铝模块在车体中的选择与承载分配研究
地铁车辆车体的承载方式主要,底架承载、侧壁承载、整
体承载三种方式。按结构形式分,有板梁组合结构、开口型材
与大型中空型材组合结构以及大型中空型材结构三种形式。
根据钢材和铝合金材料特点,我们将承载要求高,空间制
约大的地方选择钢材,其余部分选择铝合金材料。车体的承载
分布可根据以往设计经验,结合CAE等分析手段确定。
2.1.1底架为钢结构的钢铝混合车体。对于设计要求底架承
载结构,往往底架采用全钢结构,侧墙、车顶和端墙采用铝合
金板梁结构。其结构特点是,车体底架结构具有较强的承载能力,
侧墙、车顶和端墙等部件零件数量少、焊接工作量少,且容易
实现自动化,大大降低了车体制造成本,提高了产品质量。
2.1.2枕梁、缓冲梁为钢结构的钢铝混合车体。车体采用整
体承载的铝合金车体,即所有车体承载构件和外板都参与承载,
这样能充分发挥所有承载零部件的承载作用,有效地减轻车体
重量。对于压缩载荷及转向架冲击载荷要求较高,并且车下空
间布局要求较高,往往枕梁和缓冲梁采用钢结构,其余采用铝
合金型材结构。在车钩连接和转向架接口的位置,属于高应力
集中区域,同时受到空间等因素的限制,宜采用钢结构。此处
钢结构组焊工艺简单、强度高,大大满足了其他设备的安装要求,
同时也能满足车体各种冲击工况的要求。
2.2钢铝模块间的连接方法
地铁车辆车体多为薄壁梁结构组成,车体的连接技术一般包
括焊接、粘接、机械连接(包括铆接)。对于全钢车体或全铝合
金车体,各大部件之间的连接通常采用焊接结构。钢与铝不同材
质零件之间的连接技术是钢铝混合结构设计中的关键技术。
2.2.1焊接。钢与铝异种金属的焊接技术目前还不成熟,因
此在地铁车辆车体的承载结构上很难应用。
2.2.2粘接。粘接连接在地铁车辆中应用并不多见。由于粘
接采用面接触而非点接触,与点焊及铆接相比,能有改善连接
刚度与强度,减少应力集中,提高密封性,减少受潮及脏物等
进入,通过接合处的合理设计能很好地吸收能量,起到减少振
动与降低噪声的效果等优点。但是粘接的使用寿命以及在不同
环境下粘接性能可靠性等方面还需要重点研究,因此对于主要
承载结构和可靠性要求较高的部位通常不使用粘接结构。
2.2.3铆接。机械连接方式是钢铝混合结构车体常用的连接
方式,承载的钢模块与铝模块间一般都采用高强度固定拉铆接结
构。这种铆接结构工艺设备简单,工艺过程比较容易控制,铆接
结构具有强度高、抗振、耐冲击性能好,连接牢固可靠等优点。
三、结论
在对钢铝混合结构车体的研究过程中,我们有如下的收获
和启示:(1)钢铝混合车体作为一种比较新型的结构形式,优
点突出,但是要想合理分配钢铝材料,要充分了解地铁车辆车
体的受力情况。(2)钢铝混合结构车体设计的关键是钢铝模块
的连接,应充分掌握和了解异种金属间各种连接方式的特点,
以便正确和合理选择。(3)在钢铝混合结构的研究中,经验固
然重要,但是在经验不足的情况下,我们可以使用有限元分析
的方法,使我们的设计更合理和安全。
参考文献:
[1]JISG4305-1999冷轧不锈钢板及钢带技术标准
 

李士战
长春轨道客车股份有限公司  吉林长春  130062
 

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