軌道客車地板輕量化設計與計算

王志濤+李寶泉+趙鳳啟

摘要：文章介紹了在軌道客車地板結構設計中，采用了模塊化結構的浮動地板及彈性封邊構造。在保證地板結構的承載能力和減振、降噪功能的前提下，顯著減輕了地板重量，簡化了地板結構，降低了設計成本。

關鍵詞：軌道客車；地板結構；地板重量

中圖分類號：TH164 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0125-03

1 概述

針對城軌客車地板設計結構復雜，重量大安裝不便的技術問題，采用了模塊化平面結構，在與車體底架上表面的結合部位采用了浮動構造，僅在地板與車體側墻的連接處采用了彈性封邊固定地板模塊，在保證內裝地板的承載能力和減振、降噪功能的前提下，大幅度減少了內裝地板的重量，簡化了結構，方便了內裝地板的安裝工藝，降低了設計成本和制造成本，取得了較好的效果。

2 輕型地板的結構優化與材料選用

2.1 地板的設計改進方案

圖1 地板結構橫向節點及側向節點

地板采用鋁蜂窩復合板材，上面2mm厚的鋁板中間是鋁蜂窩材料，下層1.5mm厚的鋁板，周邊用鋁板折彎封邊處理，代替原來的鋁型材邊，降低地板的重量。為提高地板的減振性能，在地板設計中采用粘接方形橡膠支承塊的結構，在鋁蜂窩地板下面按300×300的間隔陣列粘接60×60×10mm的橡膠支承塊，在支承塊之間空擋處粘接10mm厚的三聚氰胺發泡材料用于隔熱和吸收車下噪音，地板上面覆阻燃PVC地板布，地板布厚度2.5mm，地板各種非金屬材料制作的配件其防火性能符合DIN 5510-2標準要求，TB/T3139環保的相關規定。為模塊化浮筑結構，地板塊之間直接用螺釘緊固成一體結構，如圖1所示。地板模塊與車體地板上表面只有一個平面之間的接觸，可較好地阻隔車體振動和噪音向客室內的傳播。取消車體底架上面的C型槽結構，簡化車體地板和內裝地板的構造，簡化內裝地板安裝工藝。在內裝地板與車體側墻處采用彈性元件聯接，控制地板的定位并具有防水功能。地板結構見圖1所示。

對比原型地板，本車的地板結構取消車體上表面的C型槽結構、側墻處的鋁型材封邊、安裝支座、彈性元件和鋁型材橫梁等部件。采用了一體模塊化結構，并且將地板隔熱隔音材料與地板粘接集成為一體結構。地板模塊與車體底架上表面只有平面連接關系。在安裝地板時只將地板模塊放到車體地板表面上，定位后用螺釘緊固橫向接縫，在側墻下邊安裝由薄型不銹鋼板制造的彈性封邊就完成了地板的安裝工作，具有結構簡單、安裝方便、減輕重量的

優點。

2.2 新型地板結構的計算與分析

由于在內裝地板的設計中進行了輕量化結構改進。為保證內裝地板在工作壽命周期內可靠工作、驗證地板的承載能力和減振降噪能力，分別對新型地板結構按最大工況進行了強度剛度和減振降噪的模擬計算分析。

2.2.1 地板強度、剛度計算分析：模擬工況：地板主要承受乘客的垂直向下的正壓力，按最大超員的工況：

9人/m2，按70kg/人，每個人按兩塊50×100mm2的小方形面積計算。總體上是小面積均布的陣列排布受力方式，根據受力面積及力的大小不同，共計算4種工況，分別是：

（1）每小塊按50×120/350N，每平方米18個受力塊均布；（2）每小塊按50×50/350N，每平方米18個受力塊均布；（3）每小塊按10×40/350N，每平方米18個受力塊均布；（4）每小塊按50×50/700N，每平方米9個受力塊

均布。

約束條件：約束主要施加在橡膠減振座上，約束X、Y、Z三方向上的自由度。

強度計算結果：

（1）內裝地板位移最大值發生在工況4作用下，為0.68mm。

（2）上下層鋁板的最大應力為40.1MPa，根據標準知，鋁板屈服極限為125MPa，因此，鋁蜂窩地板板的強度符合要求，其剛度能滿足使用要求。

2.2.2 減振降噪計算分析：

（1）結構模型。新型內裝地板安裝結構采用18mm鋁蜂窩板復合材料，在地板下表面均布粘接60×60×9mm3的橡膠減振墊，用于支承地板，傳遞垂向力并起到減少振動的作用。橡膠減振墊間距約280左右，地板上表面粘2mm厚的PVC地板布。地板下表面橡膠減振墊間隔之間粘接的是三聚氰胺發泡材料，表面貼鋁箔。

（2）有限元模型：為了便于計算，對鋁蜂窩地板采用等效方法（按照Gibson簡化理論），將鋁蜂窩簡化為正交各向異性板（在有限元計算中可以采用實體單元建模，但是在VA One軟件中采用SEA統計能量法計算時，同樣簡化為一層面網格），這樣的簡化過程中，六邊形鋁蜂窩折合材料參數如表1所示。

（3）振動響應計算：振動響應計算的內容是將Ansys模態計算求解完畢的模態結果導入到Virtual.Lab軟件中去，在相應位置加載振動激勵源載荷，計算整個內裝地板結構的振動響應見圖2所示。

（4）隔聲計算：根據磁懸浮車內裝地板的結構特性，地板結構為包含PVC地板布、鋁板、鋁蜂窩、不銹鋼板、橡膠墊、吸音材、鋁箔等等在內的復雜多層結構。將前面創建的有限元模型導入到VA One軟件中去，通過創建Face、創建材料、創建NCT等步驟，計算整體的MNCT效果，結果如圖3：

通過計算結果可以看出，地板部位的總體A計權隔聲量位9.85dBA。考慮到SEA方法計算主要在高頻段有較好的結果，其在315Hz以上的A計權隔聲量為10.5dBA；在1000Hz以上的A計權隔聲量為16.7dBA左右。同時從計算結果可以看出，本新型地板結構在630Hz左右有一個隔聲的低谷，1000Hz以上較高頻段的隔聲效果要遠遠好于低頻段，這跟一般的多層隔聲材料的隔聲特性也是基本吻合的。

（5）地板減重效果分析：經過三D設計，自動生成地板總成（含防寒材）的重量為：510kg，平均每延米平均重量為：510/14.6m=34.9kg/m。

對比原型地鐵類似地板結構的重量（加上地板防寒材的重量），每延米平均重量為：

（914+48.6）kg/19m=50.6kg/m。

（50.6-34.9）/50.6×100=31%。地板減重達31%。效果明顯。

圖2 內裝地板結構模態振型與地板振動響應

圖3 新型地板結構隔聲性能曲線

3 結語

經前述的優化設計工作之后，新型地板結構的設計重量在確保其產品性能和減振、降噪功能的前提下，有了大幅度的減少，并增加了其強度和剛度以及吸音降噪的功能，同時還減化了地板制造安裝的工藝過程。降低了設計和制造成本。達到了使車體輕量化的設計目標，節省了軌道客車在運行時的能量消耗，增加了有效載荷，對城軌客車設計有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 鐵道機車車輛的預防性防火（第2部分）：材料和結

構部件的防火性能和燃燒并發現象、分類、要求及試

驗方法（DIN 5510-2：2009）[S].

[2] 趙有明.國外輕軌車輛譯文集[C].鐵科院，2006.

[3] 沈寶紅.城市軌道交通噪聲與震動控制對策[J].環境

科學與管理，2005.

作者簡介：王志濤，男，唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心高級工程師，研究方向：軌道車輛研發設計。endprint

摘要：文章介紹了在軌道客車地板結構設計中，采用了模塊化結構的浮動地板及彈性封邊構造。在保證地板結構的承載能力和減振、降噪功能的前提下，顯著減輕了地板重量，簡化了地板結構，降低了設計成本。

關鍵詞：軌道客車；地板結構；地板重量

中圖分類號：TH164 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0125-03

1 概述

針對城軌客車地板設計結構復雜，重量大安裝不便的技術問題，采用了模塊化平面結構，在與車體底架上表面的結合部位采用了浮動構造，僅在地板與車體側墻的連接處采用了彈性封邊固定地板模塊，在保證內裝地板的承載能力和減振、降噪功能的前提下，大幅度減少了內裝地板的重量，簡化了結構，方便了內裝地板的安裝工藝，降低了設計成本和制造成本，取得了較好的效果。

2 輕型地板的結構優化與材料選用

2.1 地板的設計改進方案

圖1 地板結構橫向節點及側向節點

地板采用鋁蜂窩復合板材，上面2mm厚的鋁板中間是鋁蜂窩材料，下層1.5mm厚的鋁板，周邊用鋁板折彎封邊處理，代替原來的鋁型材邊，降低地板的重量。為提高地板的減振性能，在地板設計中采用粘接方形橡膠支承塊的結構，在鋁蜂窩地板下面按300×300的間隔陣列粘接60×60×10mm的橡膠支承塊，在支承塊之間空擋處粘接10mm厚的三聚氰胺發泡材料用于隔熱和吸收車下噪音，地板上面覆阻燃PVC地板布，地板布厚度2.5mm，地板各種非金屬材料制作的配件其防火性能符合DIN 5510-2標準要求，TB/T3139環保的相關規定。為模塊化浮筑結構，地板塊之間直接用螺釘緊固成一體結構，如圖1所示。地板模塊與車體地板上表面只有一個平面之間的接觸，可較好地阻隔車體振動和噪音向客室內的傳播。取消車體底架上面的C型槽結構，簡化車體地板和內裝地板的構造，簡化內裝地板安裝工藝。在內裝地板與車體側墻處采用彈性元件聯接，控制地板的定位并具有防水功能。地板結構見圖1所示。

對比原型地板，本車的地板結構取消車體上表面的C型槽結構、側墻處的鋁型材封邊、安裝支座、彈性元件和鋁型材橫梁等部件。采用了一體模塊化結構，并且將地板隔熱隔音材料與地板粘接集成為一體結構。地板模塊與車體底架上表面只有平面連接關系。在安裝地板時只將地板模塊放到車體地板表面上，定位后用螺釘緊固橫向接縫，在側墻下邊安裝由薄型不銹鋼板制造的彈性封邊就完成了地板的安裝工作，具有結構簡單、安裝方便、減輕重量的

優點。

2.2 新型地板結構的計算與分析

由于在內裝地板的設計中進行了輕量化結構改進。為保證內裝地板在工作壽命周期內可靠工作、驗證地板的承載能力和減振降噪能力，分別對新型地板結構按最大工況進行了強度剛度和減振降噪的模擬計算分析。

2.2.1 地板強度、剛度計算分析：模擬工況：地板主要承受乘客的垂直向下的正壓力，按最大超員的工況：

9人/m2，按70kg/人，每個人按兩塊50×100mm2的小方形面積計算。總體上是小面積均布的陣列排布受力方式，根據受力面積及力的大小不同，共計算4種工況，分別是：

（1）每小塊按50×120/350N，每平方米18個受力塊均布；（2）每小塊按50×50/350N，每平方米18個受力塊均布；（3）每小塊按10×40/350N，每平方米18個受力塊均布；（4）每小塊按50×50/700N，每平方米9個受力塊

均布。

約束條件：約束主要施加在橡膠減振座上，約束X、Y、Z三方向上的自由度。

強度計算結果：

（1）內裝地板位移最大值發生在工況4作用下，為0.68mm。

（2）上下層鋁板的最大應力為40.1MPa，根據標準知，鋁板屈服極限為125MPa，因此，鋁蜂窩地板板的強度符合要求，其剛度能滿足使用要求。

2.2.2 減振降噪計算分析：

（1）結構模型。新型內裝地板安裝結構采用18mm鋁蜂窩板復合材料，在地板下表面均布粘接60×60×9mm3的橡膠減振墊，用于支承地板，傳遞垂向力并起到減少振動的作用。橡膠減振墊間距約280左右，地板上表面粘2mm厚的PVC地板布。地板下表面橡膠減振墊間隔之間粘接的是三聚氰胺發泡材料，表面貼鋁箔。

（2）有限元模型：為了便于計算，對鋁蜂窩地板采用等效方法（按照Gibson簡化理論），將鋁蜂窩簡化為正交各向異性板（在有限元計算中可以采用實體單元建模，但是在VA One軟件中采用SEA統計能量法計算時，同樣簡化為一層面網格），這樣的簡化過程中，六邊形鋁蜂窩折合材料參數如表1所示。

（3）振動響應計算：振動響應計算的內容是將Ansys模態計算求解完畢的模態結果導入到Virtual.Lab軟件中去，在相應位置加載振動激勵源載荷，計算整個內裝地板結構的振動響應見圖2所示。

（4）隔聲計算：根據磁懸浮車內裝地板的結構特性，地板結構為包含PVC地板布、鋁板、鋁蜂窩、不銹鋼板、橡膠墊、吸音材、鋁箔等等在內的復雜多層結構。將前面創建的有限元模型導入到VA One軟件中去，通過創建Face、創建材料、創建NCT等步驟，計算整體的MNCT效果，結果如圖3：

通過計算結果可以看出，地板部位的總體A計權隔聲量位9.85dBA。考慮到SEA方法計算主要在高頻段有較好的結果，其在315Hz以上的A計權隔聲量為10.5dBA；在1000Hz以上的A計權隔聲量為16.7dBA左右。同時從計算結果可以看出，本新型地板結構在630Hz左右有一個隔聲的低谷，1000Hz以上較高頻段的隔聲效果要遠遠好于低頻段，這跟一般的多層隔聲材料的隔聲特性也是基本吻合的。

（5）地板減重效果分析：經過三D設計，自動生成地板總成（含防寒材）的重量為：510kg，平均每延米平均重量為：510/14.6m=34.9kg/m。

對比原型地鐵類似地板結構的重量（加上地板防寒材的重量），每延米平均重量為：

（914+48.6）kg/19m=50.6kg/m。

（50.6-34.9）/50.6×100=31%。地板減重達31%。效果明顯。

圖2 內裝地板結構模態振型與地板振動響應

圖3 新型地板結構隔聲性能曲線

3 結語

經前述的優化設計工作之后，新型地板結構的設計重量在確保其產品性能和減振、降噪功能的前提下，有了大幅度的減少，并增加了其強度和剛度以及吸音降噪的功能，同時還減化了地板制造安裝的工藝過程。降低了設計和制造成本。達到了使車體輕量化的設計目標，節省了軌道客車在運行時的能量消耗，增加了有效載荷，對城軌客車設計有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 鐵道機車車輛的預防性防火（第2部分）：材料和結

構部件的防火性能和燃燒并發現象、分類、要求及試

驗方法（DIN 5510-2：2009）[S].

[2] 趙有明.國外輕軌車輛譯文集[C].鐵科院，2006.

[3] 沈寶紅.城市軌道交通噪聲與震動控制對策[J].環境

科學與管理，2005.

作者簡介：王志濤，男，唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心高級工程師，研究方向：軌道車輛研發設計。endprint

摘要：文章介紹了在軌道客車地板結構設計中，采用了模塊化結構的浮動地板及彈性封邊構造。在保證地板結構的承載能力和減振、降噪功能的前提下，顯著減輕了地板重量，簡化了地板結構，降低了設計成本。

關鍵詞：軌道客車；地板結構；地板重量

中圖分類號：TH164 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0125-03

1 概述

針對城軌客車地板設計結構復雜，重量大安裝不便的技術問題，采用了模塊化平面結構，在與車體底架上表面的結合部位采用了浮動構造，僅在地板與車體側墻的連接處采用了彈性封邊固定地板模塊，在保證內裝地板的承載能力和減振、降噪功能的前提下，大幅度減少了內裝地板的重量，簡化了結構，方便了內裝地板的安裝工藝，降低了設計成本和制造成本，取得了較好的效果。

2 輕型地板的結構優化與材料選用

2.1 地板的設計改進方案

圖1 地板結構橫向節點及側向節點

地板采用鋁蜂窩復合板材，上面2mm厚的鋁板中間是鋁蜂窩材料，下層1.5mm厚的鋁板，周邊用鋁板折彎封邊處理，代替原來的鋁型材邊，降低地板的重量。為提高地板的減振性能，在地板設計中采用粘接方形橡膠支承塊的結構，在鋁蜂窩地板下面按300×300的間隔陣列粘接60×60×10mm的橡膠支承塊，在支承塊之間空擋處粘接10mm厚的三聚氰胺發泡材料用于隔熱和吸收車下噪音，地板上面覆阻燃PVC地板布，地板布厚度2.5mm，地板各種非金屬材料制作的配件其防火性能符合DIN 5510-2標準要求，TB/T3139環保的相關規定。為模塊化浮筑結構，地板塊之間直接用螺釘緊固成一體結構，如圖1所示。地板模塊與車體地板上表面只有一個平面之間的接觸，可較好地阻隔車體振動和噪音向客室內的傳播。取消車體底架上面的C型槽結構，簡化車體地板和內裝地板的構造，簡化內裝地板安裝工藝。在內裝地板與車體側墻處采用彈性元件聯接，控制地板的定位并具有防水功能。地板結構見圖1所示。

對比原型地板，本車的地板結構取消車體上表面的C型槽結構、側墻處的鋁型材封邊、安裝支座、彈性元件和鋁型材橫梁等部件。采用了一體模塊化結構，并且將地板隔熱隔音材料與地板粘接集成為一體結構。地板模塊與車體底架上表面只有平面連接關系。在安裝地板時只將地板模塊放到車體地板表面上，定位后用螺釘緊固橫向接縫，在側墻下邊安裝由薄型不銹鋼板制造的彈性封邊就完成了地板的安裝工作，具有結構簡單、安裝方便、減輕重量的

優點。

2.2 新型地板結構的計算與分析

由于在內裝地板的設計中進行了輕量化結構改進。為保證內裝地板在工作壽命周期內可靠工作、驗證地板的承載能力和減振降噪能力，分別對新型地板結構按最大工況進行了強度剛度和減振降噪的模擬計算分析。

2.2.1 地板強度、剛度計算分析：模擬工況：地板主要承受乘客的垂直向下的正壓力，按最大超員的工況：

9人/m2，按70kg/人，每個人按兩塊50×100mm2的小方形面積計算。總體上是小面積均布的陣列排布受力方式，根據受力面積及力的大小不同，共計算4種工況，分別是：

（1）每小塊按50×120/350N，每平方米18個受力塊均布；（2）每小塊按50×50/350N，每平方米18個受力塊均布；（3）每小塊按10×40/350N，每平方米18個受力塊均布；（4）每小塊按50×50/700N，每平方米9個受力塊

均布。

約束條件：約束主要施加在橡膠減振座上，約束X、Y、Z三方向上的自由度。

強度計算結果：

（1）內裝地板位移最大值發生在工況4作用下，為0.68mm。

（2）上下層鋁板的最大應力為40.1MPa，根據標準知，鋁板屈服極限為125MPa，因此，鋁蜂窩地板板的強度符合要求，其剛度能滿足使用要求。

2.2.2 減振降噪計算分析：

（1）結構模型。新型內裝地板安裝結構采用18mm鋁蜂窩板復合材料，在地板下表面均布粘接60×60×9mm3的橡膠減振墊，用于支承地板，傳遞垂向力并起到減少振動的作用。橡膠減振墊間距約280左右，地板上表面粘2mm厚的PVC地板布。地板下表面橡膠減振墊間隔之間粘接的是三聚氰胺發泡材料，表面貼鋁箔。

（2）有限元模型：為了便于計算，對鋁蜂窩地板采用等效方法（按照Gibson簡化理論），將鋁蜂窩簡化為正交各向異性板（在有限元計算中可以采用實體單元建模，但是在VA One軟件中采用SEA統計能量法計算時，同樣簡化為一層面網格），這樣的簡化過程中，六邊形鋁蜂窩折合材料參數如表1所示。

（3）振動響應計算：振動響應計算的內容是將Ansys模態計算求解完畢的模態結果導入到Virtual.Lab軟件中去，在相應位置加載振動激勵源載荷，計算整個內裝地板結構的振動響應見圖2所示。

（4）隔聲計算：根據磁懸浮車內裝地板的結構特性，地板結構為包含PVC地板布、鋁板、鋁蜂窩、不銹鋼板、橡膠墊、吸音材、鋁箔等等在內的復雜多層結構。將前面創建的有限元模型導入到VA One軟件中去，通過創建Face、創建材料、創建NCT等步驟，計算整體的MNCT效果，結果如圖3：

通過計算結果可以看出，地板部位的總體A計權隔聲量位9.85dBA。考慮到SEA方法計算主要在高頻段有較好的結果，其在315Hz以上的A計權隔聲量為10.5dBA；在1000Hz以上的A計權隔聲量為16.7dBA左右。同時從計算結果可以看出，本新型地板結構在630Hz左右有一個隔聲的低谷，1000Hz以上較高頻段的隔聲效果要遠遠好于低頻段，這跟一般的多層隔聲材料的隔聲特性也是基本吻合的。

（5）地板減重效果分析：經過三D設計，自動生成地板總成（含防寒材）的重量為：510kg，平均每延米平均重量為：510/14.6m=34.9kg/m。

對比原型地鐵類似地板結構的重量（加上地板防寒材的重量），每延米平均重量為：

（914+48.6）kg/19m=50.6kg/m。

（50.6-34.9）/50.6×100=31%。地板減重達31%。效果明顯。

圖2 內裝地板結構模態振型與地板振動響應

圖3 新型地板結構隔聲性能曲線

3 結語

經前述的優化設計工作之后，新型地板結構的設計重量在確保其產品性能和減振、降噪功能的前提下，有了大幅度的減少，并增加了其強度和剛度以及吸音降噪的功能，同時還減化了地板制造安裝的工藝過程。降低了設計和制造成本。達到了使車體輕量化的設計目標，節省了軌道客車在運行時的能量消耗，增加了有效載荷，對城軌客車設計有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 鐵道機車車輛的預防性防火（第2部分）：材料和結

構部件的防火性能和燃燒并發現象、分類、要求及試

驗方法（DIN 5510-2：2009）[S].

[2] 趙有明.國外輕軌車輛譯文集[C].鐵科院，2006.

[3] 沈寶紅.城市軌道交通噪聲與震動控制對策[J].環境

科學與管理，2005.

作者簡介：王志濤，男，唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心高級工程師，研究方向：軌道車輛研發設計。endprint