新型城際動車組車體結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

侯建英 安曉玉 賀東宇 宗建平

【摘 要】本文介紹了新型城際動車組的主要技術(shù)參數(shù)、車體主結(jié)構(gòu)特點及主要零部件等。采用有限元軟件對城際動車組車體進行了有限元建模，并基于EN12663標準對車體結(jié)構(gòu)進行了強度和剛度分析，根據(jù)計算結(jié)果對動車車體進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過試驗驗證了車體強度滿足EN 12663要求。通過實例驗證了車體結(jié)構(gòu)簡化合理性和有限元模型正確性。

【關鍵詞】車體強度 有限元法 優(yōu)化設計

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，逐步形成了以珠三角、長三角和環(huán)渤海為代表的經(jīng)濟發(fā)達、人口集中的城市圈，城市圈中各城市之間的客流量日益增加，傳統(tǒng)的鐵路客運模式已經(jīng)不能完全適應城際軌道交通對大載客量、快起快停、快速乘降等方面的需求，因此大力發(fā)展更加快速、便捷、高效的城際軌道交通已經(jīng)迫在眉睫，在充分借鑒國外城際軌道交通的成功經(jīng)驗，在前期引進消化、吸收國外高速動車組技術(shù)的基礎上，進一步深化關鍵技術(shù)自主創(chuàng)新，以簡統(tǒng)化、模塊化的思路，研發(fā)速度等級在時速160公里，可滿足大載客量、快起快停、快速乘降需求的城際動車組。本文以某型時速160公里動車組車體為例，詳細介紹了該型動車組的車體結(jié)構(gòu)特點，并建立符合力學特性的有限元模型，進行了靜力學和模態(tài)分析，通過靜強度試驗，驗證了車體結(jié)構(gòu)簡化合理性和有限元模型正確性。

1 車體主要特點

車體承載結(jié)構(gòu)采用車體全長的大型中空鋁合金型材組焊而成，為筒型整體承載結(jié)構(gòu)，這樣使得車體具有很好的防振、隔音效果。車體承載結(jié)構(gòu)是由底架、側(cè)墻、車頂、端墻組成，頭車還設有安裝司機室的端部結(jié)構(gòu)。車體各大部件的連接形式采用插接或搭接形式。門口設有主要供側(cè)門鎖閉機構(gòu)安裝的門立柱，門立柱與底架和車頂焊接。

底架主要由中部左側(cè)地板、中部右側(cè)地板、中部外側(cè)地板、邊梁內(nèi)側(cè)地板和底架邊梁等組成，共5種斷面8塊型材。地板和邊梁采用搭接形式。地板上、下面設C槽，供設備安裝使用。

鋁合金車體的側(cè)墻主要由5塊長大型材組成，除側(cè)墻下部型材外每塊側(cè)墻型材都設有C槽，供設備安裝使用。為滿足大載客量和快速乘降的要求，側(cè)墻設置了3個門口。

車頂采用了5塊型材拼焊的形式，為了便于安裝受電弓，車頂設有平頂。由于平頂型材整體的截面厚度比較小，并且平頂輪廓不是便于承載的拱形結(jié)構(gòu)，再加上平頂上安裝的設備的重量比較大，需要相關人員登頂維修，所以型材壁厚均比其它部位型材厚。為保證平頂導流罩安裝用C槽的形位公差，平頂邊頂型材增加兩個C槽，以滿足安裝要求。

端墻主要由門框、端角柱、端墻板和附件四個部件組成，除了兩塊蓋板用鋁板加工外，其余的部件均為鋁型材。

2 車體有限元分析

2.1 有限元模型

由于該動車組結(jié)構(gòu)及所受載荷沿縱向基本對稱，故在強度和剛度計算時采用1/2整車模型，而在模態(tài)計算時為不丟失振型采用整車模型。根據(jù)車體結(jié)構(gòu)的特點，整個車體主要采用板殼單元模擬，側(cè)門上角及端門補強角采用實體網(wǎng)格，車體與轉(zhuǎn)向架接口處、枕內(nèi)外頂車位處、端墻加載區(qū)域、車鉤安裝區(qū)域等處設rigids單元。

2.2 材料屬性

車體材料的物理屬性與力學性能如表1所示。

表1. 有限元模型中材料的物理屬性

材料 密度（kg/m^3） 彈性模量（MPa） 泊松比 屈服極限（MPa）

非焊縫區(qū) 焊縫區(qū)

鋁 2740 71000 0.33 215 115

2.3 計算工況與載荷

計算載荷參照EN 12663：2010的規(guī)定選取，作用于車體的載荷分為縱向載荷、垂向載荷。其中整車垂直均布載荷按車體自重、載重和整裝質(zhì)量考慮。

3 車體仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 靜強度分析

仿真計算結(jié)構(gòu)表明，在所有工況下，車體結(jié)構(gòu)中除有2處部位出現(xiàn)組合應力偏大，超出了EN 12663限定的許用應力值外，其他部位的計算應力均小于設計需用應力值，故在不影響車體其他各部件安裝的情況下，需要對車體結(jié)構(gòu)做結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以滿足強度要求。

由于設計后期頂級指標發(fā)生變更，側(cè)墻窗口高度及大小均發(fā)生變化，導致窗口下角圓弧處接近窗間板與窗下型材的連接處，應力值超過母材許用應力，司機室短側(cè)墻與客室側(cè)墻立面處應力值超過母材許用應力，需要優(yōu)化補強角結(jié)構(gòu)。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)計算結(jié)果，在司機室短側(cè)墻與客室側(cè)墻立面處，增加一個6mm厚的角型補強塊，在窗角處增加一個實心的窗角補強件。增加補強后，司機室區(qū)域其最高應力約為90.65，小于材料的焊縫屈服強度（此處材料的焊縫屈服強度為115MPa），窗角區(qū)域其最高應力為86.137MPa，小于材料的焊縫屈服強度（此處材料的焊縫屈服強度為115MPa），滿足強度要求。

4 靜強度試驗驗證

根據(jù)EN12663-1：2010《鐵路應用——鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》第一部分要求，對樣車進行了靜強度試驗，試驗在專用的靜強度試驗臺上進行。試驗過程中發(fā)現(xiàn)應力較高的位置位于司機室補強角及客室窗下角補強，其中外側(cè)窗角補強焊縫處的最大應力為112.5MP，司機室補強角處最大應力為98.2PM，接近需用應力115MP。試驗表明車體各測點應力值均小于許用應力，其強度滿足EN12663-1：2010《鐵路應用——鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》。

5 結(jié)語

經(jīng)過計算及試驗驗證，本結(jié)構(gòu)的車體滿足根據(jù)EN12663-1：2010《鐵路應用——鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》，但是由于窗口方案的變更，導致窗角區(qū)域應力較高接近許用值，補強角結(jié)構(gòu)焊接復雜，需要對側(cè)墻進行打磨，在后期的設計中可以通過更改窗間板及窗下型材斷面形式，將焊縫避開窗口圓角區(qū)域即可從根本上解決此問題。

作者簡介：侯建英（1981—），男，河北唐山人，碩士研究生學歷，工程師，主要從事軌道車輛研發(fā)設計工作。