李笑颜 姜春鹏 夏元平
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111
摘要：通过分析高速动车组现有铜管连接方式，对其做出优化，提出了一种新型的铜管连接方式。对通过该结构连接的铜管进行有限元强度仿真分析，并与现有结构进行对比，发现在同等受力的情况下，以新型连接方式连接的铜管所受等效应力更小，验证了该结构的可靠性。
关键词：动车组；铜管；钎焊连接；
1.引言
给水管路是高速动车组给排水系统的重要组成部分，良好的给排水系统可以提供给乘客方便的用水环境。除部分高寒动车组外，国内现有标准动车组的车下供水管路多采用铜管。采用良好的连接方式可减少铜管泄漏情况的发生，降低给排水系统的故障率，提升乘客的舒适性。文章提出了一种新型铜管连接方式，以期实现降低施工难度及生产成本，提升铜管连接可靠性的目的。
2.既有铜管连接方式介绍
铜管之间采用钎焊工艺进行连接，目前在产动车组车型所用铜管大多数材质为TP2Y2。铜管焊接接头处为三段式，如图1所示。焊接时需将两端铜管插入到中间管接头处，并在接头端部填充钎料进行烧焊，一个接头处有两道焊缝，焊接后的成品如图2所示。采用该连接方式在一个接头处会产生两道焊缝。
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3.新型铜管连接方式介绍
为优化原有铜管连接方式，拟采用冲压工艺对铜管管端进行扩管处理，扩管后铜管的内径尺寸参照既有结构管接头内径执行。扩管后效果如图3所示。扩管后可直接将需要连接的铜管插入该铜管内进行烧焊，焊接后的效果如图4所示。采用该方案可节省管接头一个，并减少一条焊缝。
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4.有限元仿真分析
为验证新型连接形式的可靠性，对其进行有限元强度分析。铜管规格为Φ22.2mm，壁厚1.14mm；接头内径尺寸为Φ22.36mm，壁厚0.9mm，铜管的插入量为17mm。铜管及接头所采用的材质为TP2铜，其质量密度为8940Kg/m3，弹性模量为1.15×105MPa，泊松比为0.33。参照实物尺寸建立两种连接方式的有限元模型，并赋予其相应材料属性。
为保证计算精度，有限元模型采用实体单元Solid185，划分为六面体网格。其中既有连接结构模型网格数量134120个，新型连接结构模型网格数量91980个。如图5、图6所示。
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对模型施加边界条件：将铜管一端固定，另一端施加轴向力模拟铜管受拉工况。对两种铜管连接结构分别施加3-8kN的载荷，每隔1kN设置为一个工况。计算两种结构在每种载荷下所产生的应力，其结果如表1所示，3kN载荷条件下应力云图如图7、图8所示。
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分析计算结果可知，在3-8kN的载荷区间内，两种连接结构在受到拉力载荷的情况下，所产生的最大应力区域均位于靠近载荷施加位置一端的焊缝附近。随着载荷的增大，铜管连接结构所产生的最大应力值也越大。
此外，相同载荷条件下采用新型连接方式的铜管所产生的等效应力均小于采用既有连接方式的铜管；且随着载荷的增大，新型连接结构的应力变化率小于既有结构。
5.总结
通过建立铜管连接结构的有限元模型并进行静强度仿真计算，分析了两种铜管连接方式在受到不同拉力载荷的工况下的应力分布及极值大小，可得出结论：在所列载荷工况下，本文提出的新型铜管钎焊连接结构可靠性及力学性能优于既有结构，计算结果为新型连接结构的应用提供了一定的理论依据。此外，该结构相比既有结构还可减省一个管接头并减少一条焊缝，可节约现车生产成本，提高给排水系统的可靠性。
参考文献
[1]刘劲松,陈大勇,张士宏. 基于数值模拟的TP2铜管三联拉工艺优化[J].中国有色金属学报,2015,25(2):458-465.