160km/h城際市域電動車組鋁合金車體結構設計

郎艷

【摘 要】本文介紹了160km/h城際（市域）電動車組鋁合金車體的材料以及車體主要部件的結構特點，通過有限元分析以及靜強度試驗驗證了車體結構的合理性。

【關鍵詞】車體；鋁合金；結構；材料；有限元；試驗

0 前言

160km/h城際（市域）電動車組運行速度介于地鐵和城際動車組之間，主要連接城郊（如城市外環、衛星城、城市遠郊）、相鄰的城市或地區（如旅游景點、機場等）是我國城鎮化加速發展中解決交通擁堵問題的重要交通工具。

大連機車自主知識產權、自主研發的160km/h城際（市域）電動車組是瞄準后續市場所需提前做的技術儲備項目。160km/h城際（市域）電動車組為A型鼓型鋁合金車體，采用大斷面鋁合金擠壓型材焊接整體承載結構，由底架、側墻、端墻、頂棚及司機室等整體模塊組成，能夠承受垂向、縱向、橫向、扭轉等載荷。司機室端部結構設計采用吸能結構，碰撞滿足EN15227標準要求。

1 車輛基本技術參數

1.1 列車編組

城際（市域）電動車組一般建議六輛列車編組，列車編組型式、編組列車是否需要兩列或多列重聯運營等可以由買方根據實際運營情況確定，例如也可以定義為八輛編組的型式。

160公里/小時城際（市域）電動車組為研發項目，列車采用兩動一拖編組方式，分為不同配置的三種車型。三種車型都基于一個車型平臺進行研發，通過變更車門、座椅及內部裝飾等配置，完成三個車型研發。

160km/h城際（市域）電動車組項目車輛編組形式為：

-Mc1 + Tp + Mc2-

其中，Mc1為帶司機室的動車，Tp為帶受電弓的拖車，Mc2為帶司機室的動車，+為半永久性牽引桿，-為半自動車鉤。

1.2 車體主要參數

160km/h城際（市域）電動車組項目車輛車體的主要參數如表1。

2 車體結構材料

鋁合金材料以其重量輕、耐腐蝕性高、易于焊接和具有抗拉及屈服強度高等優點成為鐵路機車車輛制造業中的理想材料已在業內廣泛應用。160km/h城際（市域）電動車組鋁合金車體結構材料主要采用6000、7000系列時效硬化型鋁合金型材及板材，其中底架（包括枕梁及車鉤座）、車頂、側墻均采用大型斷面鋁合金型材制造，材質為 EN AW-6005A-T6、 EN AW-7005-T6。端墻、牽引梁及枕梁上下蓋板及筋板采用板、梁結構制造，板材材質為EN AW-6082-T6（51）和EN AW-7020-T6（51）。所用型材、棒材及板材材質化學成分滿足EN573-3或者GB/T 3190標準，見表2。

3 車體結構主要部件

160公里/小時城際（市域）電動車組為A型鋁合金車體，采用大斷面鋁合金擠壓型材焊接整體承載結構，主要由底架、側墻、頂棚、側墻及司機室等整體模塊主要部件組成（如圖1所示）。鋁合金車體結構符合標準EN12663-2000《鐵路車輛車體的結構要求》類型歸屬EN12663中的P-II，能夠承受垂直、縱向拉伸、縱向壓縮、扭轉、自重、牽引力、橫向力、制動力等動、靜載荷，在使用期限30年內不發生永久變形和疲勞損傷，并具有足夠的剛度和強度，車體可承受的縱向壓縮和拉伸載荷分別不低于1200kN和960kN。

3.1 底架裝配

底架裝配是由前端吸能區、枕梁裝配、牽引梁裝配、底架邊梁、端梁、鋁地板裝配等部件組成（如圖2所示）。底架是車體結構中重要承載部分，它不僅要承受安裝在底架上的所有設備和車內所有設備以及乘客的重量，同時傳遞車輛的牽引力和制動力并承受運行過程中的彎曲、扭轉的各種復雜載荷，因此其結構設計的是否合理直接影響整車的強度以及行車安全問題。兩根通長型材的底架邊梁貫穿底架兩側與鋁地板型材采用搭接方式組焊成形。前端吸能模塊、I位端牽引梁模塊、II位端牽引梁模塊以及枕梁模塊分別與邊梁和地板型材焊接共同構成底架裝配。

1.前端吸能區；2.牽引梁裝配；3.枕梁裝配；4.底架邊梁；5.鋁地板裝配；6.端梁

3.2 側墻裝配

側墻結構采用分塊模塊化結構，結構簡單，強度、剛度高，自身質量小，外表美觀（如圖3所示）。

側墻裝配由分塊側墻模塊構成，其中每塊分塊側墻模塊由五塊大斷面中空擠壓型材和門立柱組成構成側墻模塊。五塊側墻型材之間采用插接接口形式之后進行焊接并在兩側焊接門立柱共同構成側墻模塊。門立柱是型材拉彎結構，與側墻外輪廓曲線一致，保證側墻門強度的同時，提高側墻外觀質量，通過在門角處焊接弧形的門角組成降低門立柱與底架以及頂棚焊縫處的應力，避免應力集中。帶有窗口的側墻模塊采用機械加工方法來加工實現，為避免窗角處應力集中，此結構均采用圓弧過渡形式。

3.3 頂棚裝配

頂棚裝配由空調平臺、中頂組成、側頂組成等部件組成。空調平臺采用模塊化設計，通用在每種車型的頂棚裝配中。五塊中空擠壓型材以插接形式對接后焊接，兩端焊接堵板并在滿足空調安裝的相應的位置焊接空調安裝座共同構成空調平臺模塊。空調平臺和中頂組成分別與通長的側頂型材組焊后構成具有一定強度和剛度的頂棚裝配。在頂棚裝配設計中充分考慮風道、扶手、客室燈具、頂棚內裝等頂部設備的吊裝進行頂棚型材斷面設計，使得滑槽布置合理，保證強度的同時，減少型材重量，實現輕量化設計的理念。

3.4 端墻裝配

端墻裝配由端立柱、橫梁、加強梁及蒙皮組成（如圖4所示）。端立柱、橫梁及加強梁均為擠壓鋁合金型材與板材蒙皮組焊后構成端墻裝配。端立柱和橫梁的布置必須滿足客室端部凈通過和貫通道的安裝要求。端墻裝配分別與底架、側墻裝配、頂棚裝配組焊后成為一體，能夠滿足列車連掛載荷要求，保證車體在各種載荷的作用下具有足夠的剛度和強度。

3.5 司機室

司機室由整體玻璃鋼外罩和內置鋁結構骨架組成（如圖5所示），玻璃鋼外罩和鋁結構骨架之間采用粘接和螺栓把接兩種形式固定。組成司機室鋁結構骨架的梁子為擠壓鋁合金型材，梁子加工后拼焊構成整體司機室鋁骨架模塊。從外觀上看司機室車頭整體曲面弧度合理、流暢且美觀，內部鋁結構骨架模塊焊接到車體上支撐玻璃鋼外罩及司機室車門，具有足夠的強度，從而最大限度地保證司乘人員的人身安全。

4 有限元分析

利用有限元分析的方法對160km/h城際（市域）電動車組鋁合金車體結構進行強度、剛度、模態驗證。

考慮到車體的底架與牽引梁、枕梁的連接方式的特點，在建立車體有限元模型時，采用剛性單元來模擬車體的底架與牽引梁、枕梁的焊接關系；根據車體的受力狀況，采用位移主-從關系來模擬車體底架與牽引梁、枕梁的受力關系。根據有限元網格劃分軟件對車體進行有限元離散，160km/h城際（市域）電動車組車體結構的離散模型中單元總數為2015067個，結點總數為1024446個，在離散模型的基礎上利用軟件進行車體有限元分析。

各種工況下的靜強度計算結果表明，車體結構各個部位的應力均小于該部位材料的許用應力，滿足EN-12663-2000標準中關于強度的要求，在垂直靜載荷設計載荷條件下，車體中心線上邊梁的垂向位移為7.82mm，小于車輛定距的1‰，因此該車剛度滿足設計要求。

模態分析結果為車體結構的一階垂向彎曲振動頻率為15.25Hz，一階扭轉振動頻率為17.06Hz；整備狀態（AW0）車體結構的一階垂向彎曲振動頻率為9.57Hz，一階扭轉振動頻率為11.53Hz；超員狀態（AW3）車體結構的一階垂向彎曲振動頻率為6.19Hz，一階扭轉振動頻率為9.22Hz。

因此，160公里/小時城際（市域）電動車組車體的模態分析滿足設計要求，結構布局與材料選擇有針對性，設計科學合理。

5 靜強度試驗

2015年9月，160km/h城際（市域）電動車組鋁合金車體鋁結構順利制造完成，之后對車體鋁結構進行了靜強度試驗，試驗結果表明車體結構設計滿足標準要求，并且與有限元分析結果基本一致。

6 結束語

160km/h城際（市域）電動車組鋁合金車體結構設計合理，為該新車型的設計及應用奠定了堅實的基礎。城際（市域）電動車組能夠涵蓋市域快軌交通的速度需求，能夠實現軌道交通在不同區域的全覆蓋，將會成為城市軌道交通發展的趨勢，具有可觀的前景。

[責任編輯：王楠]