城際動車組車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

張海波　蘇永章　王趙華

摘要：文章介紹了一種城際動車組的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點及解決措施，列舉了車體強(qiáng)度計算的主要工況及靜強(qiáng)度和模態(tài)試驗結(jié)果，結(jié)果表明該車體結(jié)構(gòu)合理。

關(guān)鍵詞：城際動車組；車體結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度計算；模態(tài)試驗；優(yōu)化設(shè)計 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U270 文章編號：1009-2374（2017）05-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.022

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的城市開始聯(lián)接為一個整體，越來越多的人開始奔波周邊各個城市，舒適、快捷的城際軌道交通顯得越來越重要，城際動車組的研發(fā)有著非常重大意義。我司應(yīng)邀參與城際動車組研制，本城際動車組車體結(jié)構(gòu)基于我公司生產(chǎn)的動車組車體及地鐵車體平臺研制而成的。

2 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

車體采用大型中空鋁型材斷面結(jié)構(gòu)，整體承載結(jié)構(gòu)。車體結(jié)構(gòu)由底架、頂蓋、側(cè)墻、端墻、司機(jī)室（帶司機(jī)室的頭車）等模塊組成。整車模型（帶玻璃鋼頭罩的頭車結(jié)構(gòu)）見圖1：

2.1 底架結(jié)構(gòu)設(shè)計

底架是車體的主要承重結(jié)構(gòu)，是整個車體的承載基礎(chǔ)，它不僅承受垂向載荷，而且還傳遞車輛的縱向力、扭轉(zhuǎn)載荷及承受各種復(fù)雜的運動力。底架結(jié)構(gòu)主要由Ⅱ端端部結(jié)構(gòu)、Ⅰ端端部結(jié)構(gòu)、長地板、邊梁、橫梁等部件組成。底架設(shè)備采用底架地板C型材和邊梁懸掛結(jié)合的方式，除較重設(shè)備采用邊梁懸掛外，其他的采用地板C型材懸掛。為解決底架剛性，防止與底架設(shè)備產(chǎn)生共振，增加車內(nèi)乘客舒適性，將底架地板厚度增加至80mm。

2.2 頂蓋結(jié)構(gòu)

頂蓋由頂蓋邊梁、長梁，圓弧頂蓋板及隔墻板等組成，頂蓋上設(shè)置通長C型槽，用來安裝內(nèi)裝及風(fēng)道?？照{(diào)采用嵌入式安裝，代替以往項目的空調(diào)平臺安裝結(jié)構(gòu)，空調(diào)兩邊設(shè)置導(dǎo)流罩，使車輛頂部結(jié)構(gòu)更具流線型，減小空氣阻力，滿足空氣動力學(xué)要求。

2.3 側(cè)墻結(jié)構(gòu)

側(cè)墻為分體式結(jié)構(gòu)，由多個側(cè)墻單元組成，每個單元由側(cè)墻型材和門立柱組成。在側(cè)墻型材上設(shè)置通長的么C型槽，用于安裝風(fēng)道、內(nèi)裝、行李架等部件。

2.4 端墻結(jié)構(gòu)

端墻由端墻立柱和鋁板組成的板梁結(jié)構(gòu)。

2.5 材料的選取及焊接

車體材料主要為型材和板材組裝，型材材質(zhì)主要為EN AW 6005-T6，其中牽引梁型材材質(zhì)為EN AW 6082-T6；板材材質(zhì)主要為EN AW 6082-T6，折彎件采用EN AW 5083-H111。焊接按照EN 15085標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，對于應(yīng)力較大焊縫或承載重要位置焊縫按照焊縫質(zhì)量等級不低于CP B，檢驗等級不低于CT 2的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，對于局部焊縫按檢驗等級CT 2檢驗不可達(dá)，則需要采用100%表面檢查。

3 設(shè)計難點與解決措施

3.1 輕量化設(shè)計

車體結(jié)構(gòu)尺寸比較大，要保證車體強(qiáng)度及剛度，輕量化設(shè)計更是一個設(shè)計難點，在設(shè)計過程中首先考慮的是通過減薄型材壁厚及增大內(nèi)部筋板間距，經(jīng)優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)這些措施對車體輕量化貢獻(xiàn)不大。為了達(dá)到輕量化設(shè)計，考慮將壁厚較大的端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，因端部結(jié)構(gòu)是車鉤拉壓力的主要傳力部件及轉(zhuǎn)向架的承載部件，為減薄材料厚度，就必須通過一種新型的結(jié)構(gòu)才能滿足要求，本項目通過增加一種型材代替原來的板材焊接，將應(yīng)力較大的焊縫位置由型材的母材代替，將焊縫位置移動到應(yīng)力較小的中間位置，這樣端部結(jié)構(gòu)的緩沖梁厚度平均減薄4mm，該結(jié)構(gòu)不僅大大減輕了重量，還減少了配件，有利于裝配，減少焊接輸入量，減輕焊接變形。

3.2 車鉤安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前底架前端車鉤高度比以往項目高，尤其是頭車I位端，高度為1000mm，按照以往項目設(shè)計方案，車鉤安裝與底架地板干涉。為解決該問題，并避免結(jié)構(gòu)上較大的變化，采用一種新型的型材斷面，在原有型材斷面上增加一個型腔，將螺栓的后置安裝更改為在型材內(nèi)部安裝，并將前端橫梁設(shè)計也做了優(yōu)化，將橫梁斷面上部加高到地板面上部，并將地板面下部挖孔，確保車鉤活動空間，該方案有效地解決了車鉤高度高的問題，也避免了司機(jī)室骨架的密集焊縫結(jié)構(gòu)。

3.3 底架邊梁拼接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

車輛前端設(shè)計不僅要考慮美觀，還要充分考慮生產(chǎn)制造成本，車頭采用包邊梁的玻璃鋼頭罩結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)需要頭罩處邊梁與客室處邊梁有一個臺階，確保頭罩安裝后能與側(cè)墻平齊。這需要邊梁分為兩部分，為了便于連接，在邊梁拼接處采用過渡板連接。在該處也是司機(jī)室門立柱焊接位置，在該位置焊縫較多，容易出現(xiàn)焊接缺陷，影響車輛安全。為解決該問題，將過渡板加長，伸到司機(jī)室門立柱區(qū)域，尺寸大于50mm，以避免焊縫重疊及減少焊縫集中，減少焊縫缺陷的產(chǎn)生。另外，板厚方向的兩側(cè)都有焊縫，為避免因板材缺陷，在焊縫收縮后板材開裂，在該處采用擠壓板材。

3.4 門角結(jié)構(gòu)優(yōu)化

客室門角區(qū)域一般是應(yīng)力較大的區(qū)域，加上本項目采用了嵌入式空調(diào)安裝方式，根據(jù)空調(diào)、轉(zhuǎn)向架及門的布置，在兩端門角將會有較大的應(yīng)力?？紤]到車體外形尺寸比以往項目都大，將應(yīng)力較大的區(qū)域設(shè)置在母材上，即頂蓋邊梁和頂蓋邊梁斷面加高，門角結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大區(qū)域設(shè)置在邊梁上，通過加工方式獲取，對于應(yīng)力較大區(qū)域還是需要通過獨立門角來解決，在靠近車體端部的每個門框應(yīng)力較大的區(qū)域設(shè)計一個獨立門角，將應(yīng)力較大的焊縫區(qū)域轉(zhuǎn)換為母材區(qū)域。一方面解決車體的剛度；另一方面盡量減少獨立門角的使用，降低成本。

3.5 端墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

端墻采用以往項目方案，因城際動車組比城軌地鐵寬度和高度尺寸都較大，根據(jù)EN 12663-2010標(biāo)準(zhǔn)要求，端墻區(qū)域還需要滿足：在牽引梁地板上部150mm處滿足400kN的壓縮力；車體腰帶及頂蓋邊梁處滿足300kN的壓縮力。為了解決強(qiáng)度要求，在內(nèi)部設(shè)置每側(cè)設(shè)計3組橫梁，通過計算，這種方案能滿足要求，但對焊縫有較高的要求，即在橫梁的端部需要焊透。

3.6 頭罩安裝

頭罩與車體的聯(lián)接采用傳統(tǒng)的粘接方式。頭罩包邊梁結(jié)構(gòu)，原有平臺無法借用，另外開閉機(jī)構(gòu)及其他的設(shè)備的空間需求，導(dǎo)致頭罩有1/4長度將超出車體，這些將影響車體和頭罩的接口及粘接方案。主要通過以下方案進(jìn)行優(yōu)化：在邊梁位置通過在頭罩上設(shè)計凸臺，與邊梁搭接，從內(nèi)部粘接；在前端位置，在車體上設(shè)計平臺，延伸到前窗玻璃下部與頭罩搭接，從內(nèi)部打膠。在局部位置因司機(jī)室骨架及防撞梁，導(dǎo)致前端部分位置無施膠空間，后通過將頭罩不承力部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，分步粘接。

4 靜強(qiáng)度分析

車體設(shè)計載荷主要采取歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-2010，車輛標(biāo)準(zhǔn)歸類為P-Ⅱ型固定車組。用ANSYS靜強(qiáng)度分析模塊對車體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計算，通過分析驗證，在所有計算工況下，車體的計算應(yīng)力均低于許用應(yīng)力。表1是Mc車幾個主要載荷工況。

5 試驗

5.1 靜強(qiáng)度試驗

依據(jù)《鐵路應(yīng)用-鐵路車身的結(jié)構(gòu)要求》（EN 12663-2010），并參照《機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗規(guī)范》（TB/T 2541-2010）對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了車體靜強(qiáng)度試驗，根據(jù)車體結(jié)構(gòu)差異，對Mc1車和Tp1車進(jìn)行了強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果與計算結(jié)果基本一致，所有測點應(yīng)力均小于材料或焊縫的許用應(yīng)力，表明車體結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的、可靠的。

5.2 模態(tài)試驗

采用Block Lanczos算法對車體進(jìn)行自由模態(tài)進(jìn)行計算并對車體進(jìn)行模態(tài)試驗測試。試驗結(jié)果為整備下模態(tài)均大于10Hz，符合要求。

6 結(jié)語

在設(shè)計過程中對車體底架、側(cè)墻、車頂、端墻等部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化，通過反復(fù)有限元計算分析，并通過了靜強(qiáng)度試驗驗證。在滿足強(qiáng)度和剛度標(biāo)準(zhǔn)的前提下，優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)具有輕量化和等強(qiáng)度特點，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 機(jī)車車輛動力學(xué)性能臺架試驗方法（TB/T 3115-2005）[S].

作者簡介：張海波（1982-），男，湖北孝感人，中車株洲電力機(jī)車有限公司中級工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）