地铁车辆铝合金车体服役寿命评估方法研究

地铁车辆铝合金车体服役寿命评估方法研究

王尚华

中车株洲电力机车有限公司  湖南省 株洲市412000

摘要：地铁在我国很多城市中都是重要的乘客运输工具，在早高峰、晚高峰阶段处于载荷大、高速运营状态。车体损伤积累和服役寿命的评估，是判断地铁车辆能否安全运行、是否需要淘汰更换的重要评估项目。本文主要围绕地铁车辆铝合金车体服役寿命评估展开，从铝合金车体材料本身的参数安全水平、典型超载工况下车体结构有效性、极限循环下车体薄弱点位安全系数方面进行评估方法研究，判断地铁车辆铝合金车体的损伤和服役状态。

关键词：地铁；铝合金；寿命；工况；评估

引言：铝合金是我国城市地铁车辆车体的常用材料，或整体焊接而成，或挤压中空型材焊接而成，焊缝多导致车体薄弱处多，在高强度的地铁车辆运行下容易暴露出安全问题，影响地铁车辆的运行质量。评估地铁车辆铝合金车体服役寿命，可对地铁车辆进行有效延寿，提高地铁车辆铝合金车体的运行稳定性。本文主要围绕铝合金车体服役寿命评估方法进行讨论，降低车体损伤概率。

1 地铁车辆铝合金车体结构

以某型号的地铁车辆为例，车体的顶盖、侧墙、底架、端墙、司机室等部件均采用挤压大型中空铝合金型材焊接而成，枕梁、牵引梁、等大多以铝合金型材整体焊接而成。车体与转向架之间通过车下枕梁连接，形成一个整体结构。地铁车辆运行过程中，车辆时速越高，所受载荷作用越强，载荷会通过焊接在一起的铝合金型材逐步传递到车体整体承载结构的其余部位。载荷的存在会在地铁车辆的焊接薄弱环节、型材强度薄弱环节处出现变形，最终影响地铁车辆的使用安全和服役寿命。地铁车辆铝合金车体的选材、焊接参数需符合《铝结构设计（2011）》。

表1 地铁车辆铝合金车体主要材料参数

注：车体部分选用6005铝合金型材，其余结构选用5083铝合金型材。

2 地铁车辆铝合金车体服役寿命评估方法

2.1 分析方法

以地铁车辆线路实际载荷为模型，分析在线路服役状态下，车体结构关键位置的应力分布，计算疲劳积累损伤和材料的疲劳寿命。计算疲劳积累损伤主要采用Miner线性累积损伤准则，计算材料的疲劳寿命主要应用S-N曲线。

计算疲劳累积损伤前需基于服役线路进行铝合金车体的动应力测试，获得加速度和应力数据。以某地铁车辆为例，其最高运营时速为120km/h，超载工况为AW3，于车辆中间部位安装加速度传感器，于车体关键部位、容易出现疲劳损伤的焊缝部位安装应力测试设备，在车辆最高时速和超载工况下获取典型的早高峰时段车体状态数据。原始数据去除掉异常信号后，可得到车体枕梁加速度与时间关系的应力谱，计算得到横向、纵向、垂向三个方向的等效加速度，用于后续的车体关键位置疲劳评估。

Miner线性累积损伤准则有2个假设条件，条件1：在各级应力水平下，地铁车辆结构的损伤随着循环次数的增加呈现线性状态；条件2：各级应力循环产生的疲劳损伤相互独立，且当总应力疲劳损伤累积到构成结构损伤的强度时，线性累积损伤则失效。计算公式：，其中Ni代表第i级应力循环下的失效次数；ni代表实际的循环次数；j代表应力级数。

根据《铝结构设计》EN1999-1-3:2007+A1：2011选取S-N曲线为标准曲线，如下图。图中的m1和m2分别对应曲线两端的反斜率；NC对应焊接接头的疲劳极限值，ND对应曲线的分段点。

此方法可分析等效服役加速度，计算得到线路服役状态下地铁车辆铝合金车体结构的疲劳寿命分布。

图1 标准中的S-N曲线

2.2 车体结构模型建立

地铁车辆铝合金车体属于型材的焊接产物，适合以任意四节点薄壳单元建立有限元模型。地铁车辆的车顶设备、底架设备以质点形式存在于各自的实际位置，内装、管线以及服役状态下线路乘客以均布质量形式存在于底架地板面上。该地铁车辆计算模型共包含200万余个节点、300万余个单元。

2.3 车体薄弱位置应力值与材料屈服应力对比

首先，基于EN12663-1:2010标准，分别对车体结构施加3个静强度工况，施加载荷、约束并评估强度和刚度，计算得到车体结构的应力分布。假定车体的3个静强度工况如下，工况1：1.3倍AW3垂直动载；工况2：AW0状态1000kN压缩工况；工况3：AW0状态800kN拉伸工况。

然后，基于以上工况，计算得到铝合金车体结构的应力分布。提取工况下对应的薄弱位置应力值，与铝合金型材的屈服应力进行对比，从而实现对地铁车辆铝合金车体服役寿命的评估参数。

2.4 模型对比验证分析

将实际服役状态下的载荷输入车体有限元模型进行测试，可获得车体在等效加速度下的仿真应变数据，与实际测得的应力值进行比较，可得到绝对误差和相对误差，用于判断铝合金车体薄弱环节是否满足安全设计标准要求。对比验证中所选的车体测试点分别为①枕梁加强板、②枕梁斜撑板、③车钩牵引座立板，选取理由为以上部位属于实际生产中较常出现材料疲劳、变形的薄弱环节。

根据实际测试应力值与仿真测试应力值的对比结果，可以判断典型工况下铝合金车体的结构安全性能。

2.5 车体薄弱点应力安全系数

根据车体有限元模型可计算7次循环疲劳极限载荷下的车体薄弱点位应力极值，典型工况下车体薄弱部位的应力测试数据与极值对比，可用于计算车体薄弱部位的材料安全系数。以某地铁车辆枕梁与加强板对接焊缝为例，典型工况下该点位的应力测试数据为12.383MPa，车体有限元模型计算得到的疲劳极限荷载值为29.0，应力数据远低于极值，计算得到安全系数为2.342。对比计算的结果说明，铝合金车体在该薄弱点位上具有一定的可靠性。其余如车体结构的T型焊接处、搭接焊接处都可以通过此种方法计算得到安全系数，并有效评估薄弱点位的疲劳程度。

结语：地铁车辆铝合金车体服役寿命评估可从薄弱部位材料强度和载荷性能方面评估是否符合线路服役标准要求；可从典型早高峰工况下获得纵向、横向、垂向等效加速度测试车辆有限元模型的可靠性，并用车辆有限元模型评估典型工况下车体结构的服役寿命；还可以根据标准工况下的循环疲劳极限荷载值来计算车体薄弱点位的疲劳程度和安全系数。综上三个评估角度，可提升车体服役寿命评估有效性。

参考文献：

[1]申天亮,左亮,朱涛等. 基于全生命周期的地铁车辆铝合金车体服役寿命评估 [J]. 电力机车与城轨车辆, 2023, 46 (06): 101-106.

[2]左亮,任玉鑫,阎锋等. 城轨车辆铝合金车体结构服役寿命评估方法 [J]. 铁道车辆, 2019, 57 (06): 1-4.

作者简介：王尚华

出生年月：1989年1月26

性别： 男

民族： 汉族

籍贯(省市)：陕西省，西安市

学历 本科

职称/职务：冷做工

研究方向： 铝合金地铁整车焊接变形  、关键尺寸控制，铝合金车体延寿改造。