满足UIC566标准的车体结构车端设计优化

王世博 郑晓倩

中车南京浦镇车辆有限公司 江苏省南京市 210031

1 简介

喀麦隆客车项目车体强度执行UIC566标准，在车体钢结构静强度试验时，主要是端部压缩工况下出现了部分应力超限的区域，只能在原钢结构上进行补强，同时受时间、条件、技术储备不足的限制，一些结构并不是最合理的。因此，本文以喀麦隆行李车为基础，利用仿真计算手段，对其端部结构进一步的优化。该车型车端结构类似于25型车的车端结构，如图1.1，以此结构为研究对象，具有普遍意义。

UIC566标准中，端部压缩三个工况：（1）工况1：400kN 最小在缓冲器中心线上方的 350mm水平上；（2）工况2：300kN 最小在窗护栏水平上；（3）工况3：300kN 最小在上侧梁水平上，试验加力如图1.2。

通过计算和试验结果分析：原结构在工况1和工况2基本满足标准要求，而工况3不能满足要求，故对工况3下的车端上部结构进行优化。

图1.1 端部结构

图2.1 工况3下的应力分布云图

图2.2 立柱应力云图

2 现状分析

通过端部工况计算，在风挡框后的立柱中部、边梁与端顶槽钢连接处、风挡框上部的端墙板处应力均超出材料许用应力数倍，应力分布如图2.1。在实际试验中，应力片贴在风挡框后面立柱与槽钢焊接的根部，所测应力值超出了许用应力范围，说明现有的端部结构不能满足UIC标准的要求，须重新设计端部结构。

因应力超限，现车在端顶槽钢加8mm封板，应力如图2.2，立柱下口应力得到改善，但立柱中部应力仍远超许用应力。增加封板有利于提高端顶槽钢刚度，但对端顶槽钢以上部位的刚度影响不大。因此，仍需对现有结构进行完善。

图3.1 结构补强方案图

图3.2 立柱应力云图

图3.3 边梁应力云图

图3.4 立柱与纵梁连接处应力云图

图3.5 风挡框上部应力云图

图3.6 内部结构

图3.7 外部结构

图3.8 端顶应力分布云图

图3.9 边梁应力分布云图

图3.10 风挡框应力分布云图

3 结构优化与仿真计算

原结构形式，风挡框止于端顶中部，而端顶中部结构薄弱，故产生较大变形，风挡框端部产生应力集中。压缩力主要通过边梁向后传递，导致边梁变形也较大。

本文通过二种途径来降低结构应力：一是采用结构局部补强，改变部分梁柱断面；二是结构改进，改善力的传递途径。

3.1 结构补强

根据以上分析，因内部结构强度较弱，产生大变形，导致结构应力较大。经多次计算，确定结构补强方案，如图3.1a）、b）、c）所示。

（1）端顶后立柱、横梁改用断面尺寸为6x70x80帽型梁；（2）风挡框后立柱下口槽钢焊8mm封板，增加局部刚度；（3）对应风挡框后立柱的车顶纵向梁改用乙型梁，增大梁的断面模数；（4）车顶边梁与端顶槽钢连接处用连接铁补强，增加连接刚度；（5）侧墙上边梁下口加3mm封板，减小边梁横向变形；（6）门框与端顶槽钢用乙型梁连接，减小槽钢向后位移量；（7）端顶中部墙板后增加8mm补强板，增加承载能力；（8）风挡框后部提高50mm，增加受力面积；（9）风挡框上部增加封板，减小变形。

通过计算，补强后关键位置处的应力分布云图如图3.2、3.3、3.4和3.5，立柱应力最大值310.5MPa，侧墙上边梁应力最大值251MPa，基本满足强度要求。相对原结构，应力值有大幅降低，但局部仍超出材料屈服强度，如风挡框上部最大应力385.2MPa，车顶纵梁与立柱连接处最大应力356MPa，结构仍需补强。补强方案的结构改动较大，设计复杂，结果并不理想。

3.2 结构改进

结构改进的主要途径为增加向后的传力路径、增加风挡框受力面积。通过计算发现，风挡框上部结构对端顶上部应力分布起主要作用，风挡框外侧增加补板有效分散力的传递，但端顶弯梁应力超过许用应力，故风挡框后增加纵梁提高强度。改进方案如图3.6和3.7，（1）端顶立柱移至风挡框正后；（2）风挡框后纵梁由3mm改为6mm；（3）风挡框后增加一根纵梁；（4）风挡框上部加6mm封板；（5）风挡框外侧加6mm补板。

经计算，端顶最大应力为306.5MPa，位于端顶板，应力分布如图3.8；边梁最大应力206.3MPa，立柱下口最大应力181MPa，均满足强度要求，应力分布如图3.9。风挡框应力最大值574.5MPa，位于风挡框端部，为一应力集中点，可忽略，其主体结构满足强度要求，应力分布如图3.10。

4 结论

（1）本文以喀麦隆客车为依托，对车端结构进行优化与分析，优化后两种方案都能满足强度标准要求。

（2）在方案1（结构补强）中，整个风挡框上部应力超限，难以改善；方案2（结构改进）中存在应力集中点。方案1设计复杂，需要补强的部位较多，结构笨重。方案2只需在原结构基础上稍改动，即可满足要求，工艺性好，故方案2为较优方案。

（3）本文按照UIC566标准对车端结构进行优化设计，为今后类似项目的执行奠定基础，做好技术储备。