高速列车轻量化和铝车体材料选择

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1、高速列车轻量化和铝车体材料的选择高速列车轻量化和铝车体材料的选择 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 车体轻量化是在保证强度和安全性能的前提下，尽可 能地降低车体重量，从而提高车辆的动力性能，减少能源 消耗的技术。 车体轻量化设计方法主要有两方面： 选用比强度、比刚度、比断裂韧性更高的轻型材料， 例如铝合金和复合材料； 设计更合理的车体结构，使部件薄壁化、中空化、小 型化、复合化以及对车体部件进行结构与工艺改进。 降低运行阻力，节省牵引以及制动需要的能量; 减少对轨道的压力，从而减少车轮和轨道的磨损; 减少车辆和轨道的维护成本; 减少建造车辆使用的材料; 高速列车轻量

2、化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 轻量化的意义轻量化的意义 挤压铝合金型材车体重量最轻，仅为钢制车体的65%，制造费 用也是三者之中最低的，虽然材料费用比较高，但车体结构的总 费用和钢制车体持平，而且略低于不锈钢车体。 考虑到车体自重减少带来的运营和维护成本的降低，则铝合 金车体的经济性就更为显著。 材料 单位重 量价格 车体结构 重量 车体材料 价格 制造费用总体费用 耐腐蚀碳素钢11111 不锈钢4.80.852.760.881.05 铝合金8.20.655.330.571 各种材料车体重量和费用对比 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 车体用材料

3、对比车体用材料对比 铝材料，大型薄壁中空型材焊接 车体典型结构车体典型结构 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 不锈钢结构，板梁焊接 Page 6 日本、德国和法国作为世界铁路车辆的引领者，材料选型及 应用技术一直走在世界的前列。特别是日本，铝合金材料不仅用 在了车体上，还用在了转向架轴箱上。 国内只有我公司通过 “十一五”科技攻关，形成了日系材 质铝合金型材的一系列设计方法、检验标准，掌握了基于日系标 准的国产铝型材选型及应用技术。 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 铝合金铝合金材料选择材料选择 Page 7 铝合金铝合金材料选型技术的研

4、究成果材料选型技术的研究成果 基于日系标准基于日系标准 的国产铝型材的国产铝型材 设计设计、验证体验证体 系建立系建立 铝型材基本性能铝型材基本性能 评定方法评定方法 铝型材焊接基本铝型材焊接基本 性能评定方法性能评定方法 铝型材热裂纹敏铝型材热裂纹敏 感性评定方法感性评定方法 铝型材疲劳性能铝型材疲劳性能 评定方法评定方法 研究内容研究内容 A A. .宏观和宏观和 微观组织微观组织 B B. .屈服和屈服和 抗拉强度抗拉强度 C C. .伸长率伸长率 和弯曲性和弯曲性 D D. .硬度和融硬度和融 合口检验合口检验 研究内容研究内容 A A. .宏观和宏观和 微观组织微观组织 B B. .

5、屈服和屈服和 抗拉强度抗拉强度 C C. .伸长率伸长率 和弯曲性和弯曲性 D D. .硬度硬度 研究内容研究内容 A A. .焊接热裂纹试验方法焊接热裂纹试验方法B B. .热裂纹评价方法热裂纹评价方法 研究内容研究内容 A A. .S S/ /N N曲线的绘制曲线的绘制B B. .部分车体气密疲劳试验部分车体气密疲劳试验 铝型材应力腐蚀铝型材应力腐蚀 性能评定方法性能评定方法 研究内容研究内容 母材和焊接接头母材和焊接接头3 3. .5 5% %的的NaCLNaCL溶液中腐蚀状态溶液中腐蚀状态 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 Page 8 铝合金铝合金材料选择

6、材料选择 铝合金A5083P-O：Al-Mg合金，板材。特点：耐腐蚀性好， 焊接性能好，应用于司机室结构蒙皮； 铝合金A6N01S-T5：Al-Mg-Si合金，型材。特点：中等强 度，耐腐蚀性好，焊接性能较好，挤压性能好，应用于 侧墙和车顶； 铝合金A7N01P-T4、A7N01S-T5 ：Al-Mg-Zn合金， 板材和型材。特点：焊接性能好，自然时效恢复强度能 力高，存在应力腐蚀，应用于底架。 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 材料名使用部位弹性模量 泊松比屈服极限疲劳强度 母材部分 焊接部分 母材部分焊接部分 A5083P-O头车车体结构690.31251251

7、0339 端墙车体结构 A6N01S-T5 侧墙车体结构20512078 车顶车体结构 A7N01P-T4 底架补强板195176135 A7N01S-T5 底架245205119 方案 设计 仿真 分析 地面 试验 线路 试验 方案 确定 按照科学的研究方法和流程，实现CRH380A车体结构的强度刚度、 气密强度、振动模态提升。 车体轻量化设计实例车体轻量化设计实例 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 车体地板结构优化：以刚度作为约束条 件，以重量最轻作为目标函数。经过形 状优化和尺寸优化后，重量减重12%， 刚度提高8%。 车体结构优化车体结构优化 高速列车轻量化

8、和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 地板型材初始结构 形状优化 尺寸优化 最终结构 圆弧半径400 圆弧半径700 随侧顶圆弧增大： 侧顶及侧墙处变形减小； 应力降低； 气密承载能力提高。 车体断面优化车体断面优化 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 侧顶处从 R400 增大到 R700 ：降低气密载荷集中程度; 气密强度高应力 区从焊缝转移到母材。 原原 断断 面面 改改 进进 断断 面面 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 车体车顶圆弧优化车体车顶圆弧优化 原断面主应力分布 改进断面主应力分布 车体地板车体地板/ /车顶优化车

9、顶优化 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 地板结构由单层板改中空型材，提高气密隔墙整体刚度和强度。 调整车顶型材内外皮及筋板的结构，提高该部位的安全系数。 地地 板板 结结 构构 车车 顶顶 结结 构构 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 平面图 气密隔墙结构由单层板改中空型材，提高气密隔墙整体刚度和强度; 提升前振动频率21.4 Hz 提升后振动频率28.88 Hz 提升后整体刚度大大加强 提升后满足6000Pa要求 提升前38MPa 提升后10.7MPa 提升前4KPa,提升后6KPa 板板 梁梁 结结 构构 中中 空空 型型 材材 车

10、体气密隔墙优化车体气密隔墙优化 外压工况原断面变形 外压工况改进断面变形 车顶位移原断面6.4 改进断面3.1 侧墙位移原断面2.2 改进断面1.2 侧顶圆弧位移原断面0.4 改进断面0.6 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 车体变形车体变形 地板和侧墙中空型材 司机室骨架和外皮 车顶中空型材边梁和地板中空型材端墙中空型材 气密隔墙中空型材 门袋 区 中空 型材 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 车体型材分布车体型材分布 强度和刚度评判强度和刚度评判 参照标准：EN12663:2010： 强度强度 刚度刚度 垂向载荷 1.3gx(m1+m

11、2) 压缩载荷 1500kN+gxm1 车体疲劳 实测分析 动应力分析 车下吊挂 疲劳强度 静强度 三点支 承载荷 无永久变形 JIS 扭转载荷 40kN m 40t/30t 端部压缩 Page 17 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 车体在运行状态下的应力幅 0 2 4 6 8 10 12 1471013 16 1922 25 测点 应力幅(pa) 车体空车状态下 的应力幅 车体在重车状态 下的应力幅 仿真分析 静强度试验 线路动应力测试 相互验证 相互验证 强度分析强度分析- -计算计算 垂直载荷车体结构应力图 Page 18 变压器吊挂车体应力图 车体一阶垂向

12、弯曲模态 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 19 各工况试验应力小于许用应力;最小安全系数1.34; 计算试验表明强度刚度满足要求。 0 50 100 150 200 侧墙窗角中部边梁牵引梁侧墙窗角侧墙窗角侧墙窗角 垂直载荷压缩工况扭转工况三点支撑 计算 (MPa) 试验 (MPa) 安全 系数 强度分析强度分析- -试验试验 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 CRH380A车体结构： 一阶垂弯频率比一阶段提高9.5%； 一阶扭转频率比一阶段提高27.9% 。 0.00 0.07 Amplitude ( g/N ) 17.43 FRF 1

13、:+Z/6:+Z FRF 4:+Z/6:+Z FRF 6:+Z/6:+Z FRF 7:-Z/6:+Z FRF 10:-Z/6:+Z 0.0050.00 10.0020.0030.0040.005.0015.0025.0035.0045.002.50 Hz -180.00 180.00 Phase 17.43 车体台架模态试验 主振型模态频率（Hz） 一阶垂弯一阶扭转 CRH380A 头车16.822.6 中间车16.7920.38 模态分析模态分析- -台架试验台架试验 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 CRH380A整备车体一阶垂弯自振频率大于10Hz，满足设计要

14、求； 在承重增加条件下车体整体模态良好。 线路试验 数值计算 线路测试结果运行模态辨识 整备车体 线路模态 CRH380A 郑西线 一阶垂弯一阶扭转 头车 10.615.7 中间车 10.813.7 模态分析模态分析- -线路试验线路试验 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 0102030405060708090 0 4 8 12 16 20 24 动应力幅值/MPa 测试通道 无砟轨道 有砟轨道 车体运行状态下的应力幅 线路动应力测试 安全系数1.4，满足1200万公里(20 年)疲劳可靠性要求； 300km/h以上，气动载荷对车体侧墙 动应力影响显著。 -15 -

15、10 -5 0 5 10 15 20 最大值 （MPa） 最小值 （MPa） 幅值 （MPa） 安全 系数 动应力分析动应力分析 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 采用1/3长车体进行了10万次气密疲劳试验验证。 各测点试验应力小于疲劳许用应力39Mpa，最小安全系数1.34。车体气 密强度满足6000Pa要求。 气密强度分析气密强度分析 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 疲劳试验 线路试验 台架试验 CRH380A动车组车体断面的改进和结构优化，提升了车体强度、刚 度。试验和分析表明车体结构强度、刚度达到了顶层指标的相关技术 要求，且有较大的安全裕度, 车体结构是安全的、可靠的。 实例小结实例小结 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 结论结论 选用性能成熟可靠铝合金应用到车体结构； 采用大型中空挤压型材； 通过仿真、试验验证车体安全性、舒适性和可靠性； 高速列车轻量化和铝车体材料选择高速列车轻量化和铝车体材料选择 Page 26 Thank You ！