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航空强度技术为高铁研制保驾护航

2018-12-21 10:48:00  来源:科技日报

 

  近年来,中国高铁发展日新月异,改变着人们的出行方式。当你乘坐着高铁,体验着一日千里的便捷,赞叹中国速度时,一定很难想到,地上跑的高铁跟天上飞的飞机有一段割不断的情谊,更与航空工业飞机强度研究所(以下简称强度所)有一段不解之缘。


  强度所是我国唯一的航空强度研究和验证中心,主要开展飞机结构强度技术预先研究,为新机研制和改进、改型提供强度设计与分析关键技术和软件,承担飞机结构地面强度鉴定与验证实验,代表国家对新研与改型飞机结构强度进行验证实验并给出强度结论。如今强度所不仅为飞机研制提供技术支撑,同时将航空强度技术延伸应用于轨道交通领域,为高铁研制保驾护航。


  高铁近年来一直保持着高昂的发展势头,其便捷性和舒适性也一直为旅客所称道。中国铁道科学研究院集团有限公司首席研究员赵红卫介绍,1978年,我国铁路线路里程只有5.2万公里,到2018年已经发展到12.7万公里;高铁发展更是迅猛,我国高铁运营里程已达2.7万公里,占世界高铁运营里程的66%。另外,我国还具备了全套完备的技术体系,实现了从“追赶”到“领跑”的关键性转变。


  初次牵手


  高铁设计师为了实现车体“轻量化”,采用了铝合金材料,新材料在车体上应用亟需进行疲劳性能评估。强度所跟铝合金材料早就是“老熟人”了,飞机机体有大量的铝合金结构件,强度所在铝合金材料上积累了丰富的疲劳强度分析与验证技术,创建了全寿命范围概率疲劳分析方法,该方法成功应用于ARJ21、C919和AG600等型号飞机结构的设计与分析中。2006年南车青岛四方机车有限公司与强度所签订了“铝合金A6N01S-T5薄壁型材丛林系列疲劳强度实验”。强度所金属强度团队基于航空材料的疲劳评定方法,完美地分析并评估了铝合金A6N01S-T5薄壁型材的疲劳性能,为高铁车体材料的疲劳性能评定提供了准确的实验数据。航空强度技术在高铁上的首次应用给高铁工程师们留下了深刻的印象,航空强度技术与高铁验证首次牵手成功。


  相见恨晚


  我们在乘坐高铁往往留意到两车交会时对面来车一闪而过,相对速度非常高,这时车体需要承受巨大的空气压力波,这个压力波在出入隧道时也会产生。另外,列车高速交会或出入隧道,高铁列车面临的气密性问题也很严重。气密性的好坏乘坐者感受最为直观,为追求舒适,中国高铁目前的气密性指标为车内压力波动小于200 Pa/秒,这个数值小于飞机舱内的指标,所以坐高铁耳鸣的人少些。


  车体上的气压载荷及气密性问题,需要对车体结构的疲劳性能进行验证。对于整体结构的疲劳评估技术,强度所多年来在多个型号飞机结构的实验验证过程中已经建立了整体结构疲劳敏感性分析、裂纹扩展路径控制技术及实验验证技术体系,达到了国际先进水平。高铁车体结构与飞机结构的诸多相似性,正好让强度所的整体结构疲劳评估验证技术在高铁车体结构的疲劳问题上焕发了新的活力。继2006年的首次合作之后,强度所金属强度研究室分别于2008年和2010年相继承担了“时速200公里铁路动车车体气载疲劳实验”和“新一代铁路动车组用铝合金型材评价用气密实验”,实验过程严格依照整体结构疲劳敏感性分析验证技术体系,实施过程高标准严要求,有效解决了车体整体结构的疲劳敏感性问题,为高铁工程师们上交了一份满意的答卷。


  2017年又与中车唐山机车车辆有限公司签订协议完成了“吸能装置静强度加载实验”,该项实验对边界条件的准确模拟具有很高的要求,对此强度所胸有成竹。强度所在C919飞机结构强度实验过程中,突破了多种载荷干涉分离、复杂边界准确模拟和一体化自平衡设计等技术,解决了用壁板代替全尺寸机身段进行设计选型的验证实验的技术难题,该技术现已达到了国际先进水平。“吸能装置静强度加载实验”基于复杂边界准确模拟技术,准确模拟了高铁结构上吸能装置的复杂边界,为高铁设计师提供了准确的静强度实验数据。强度所金属强度研究室主任董登科在回顾这些实验时多了几分激动,他说:“我们目前在不同型号飞机结构完整性评估方面积累的重要技术,例如机翼盒段的复杂边界模拟技术,机身等直段的一体化自平衡设计技术,都恰到好处地在高铁车体实验中得到应用,取得了不错的效果。航空强度技术能在高铁领域继续大展拳脚,我们团队今后干劲又足了。”他表示航空强度应用领域的扩展延伸,看到了强度技术的新价值,是对航空强度人的肯定和鼓励,也给了他们很多启发。


  共创未来


  针对高铁的其他“疑难杂症”,强度所还有不少“绝活”。搅拌摩擦焊就是其中一例,搅拌摩擦焊具有缺陷率低、节约成本的优点,随着其工艺的发展和成熟,采用搅拌摩擦焊技术逐渐成为高速列车制造的主流趋势。中车株电公司引进了国内第一条全搅拌摩擦焊列车产品生产线;2016年,青岛四方列车公司采购了52m长的大型数控动龙门搅拌摩擦焊设备,这些新的变化带来了摩擦焊接强度分析与评估技术的难题。强度所针对飞机结构上的摩擦焊接问题已经构建了摩擦焊接性能及可靠性评估系统,这套评估系统有待在高铁的研制中再次擦出火花,为高铁排忧解难。其他诸如高铁车体的腐蚀防护、结构健康检测、车体撞击实验等诸多方面的问题,航空强度技术都有对症的妙招。


  对于未来的合作发展,强度所所长王彬文信心满满。“我们瞄准未来400公里时速的高铁对隔音减振承载结构和车厢仪表减振器的新要求,成立专门团队,首先研制出适合400公里和高寒高速铁路列车的高铁车厢仪表减振器,目前已经做出样品,将安装在标准动车车厢上进行测试。这是最近我们军民融合发展的亮点之一。”强度所所长王彬文如是说,他表示对航空强度技术在高铁领域的应用充满期待并且信心十足。


  航空工业强度所在多年飞机型号验证任务中,突破了大型飞机长寿命/高可靠性要求的耐久性/损伤容限技术、结构冲击动力学技术和全机虚拟实验技术等多项关键技术,为多个飞机型号的研制提供了技术支撑,标志着我国大型飞机的强度实验和研究能力达到了国际先进水平。这些先进的航空强度技术不仅能够继续为祖国航空事业贡献力量,同时也为强度所在军民融合道路上的发展找到了契合点,期待着在高铁领域加强深度合作,持续为高铁安全保驾护航。

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