新型城際動車組車體結構分析及優化

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參數、車體主結構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標準對車體結構進行了強度和剛度分析，根據計算結果對動車車體進行了結構優化，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構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 優化設計

隨著我國經濟的快速發展，逐步形成了以珠三角、長三角和環渤海為代表的經濟發達、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，傳統的鐵路客運模式已經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，因此大力發展更加快速、便捷、高效的城際軌道交通已經迫在眉睫，在充分借鑒國外城際軌道交通的成功經驗，在前期引進消化、吸收國外高速動車組技術的基礎上，進一步深化關鍵技術自主創新，以簡統化、模塊化的思路，研發速度等級在時速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構特點，并建立符合力學特性的有限元模型，進行了靜力學和模態分析，通過靜強度試驗，驗證了車體結構簡化合理性和有限元模型正確性。

1 車體主要特點

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

底架主要由中部左側地板、中部右側地板、中部外側地板、邊梁內側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。

鋁合金車體的側墻主要由5塊長大型材組成，除側墻下部型材外每塊側墻型材都設有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構，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

由于該動車組結構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，而在模態計算時為不丟失振型采用整車模型。根據車體結構的特點，整個車體主要采用板殼單元模擬，側門上角及端門補強角采用實體網格，車體與轉向架接口處、枕內外頂車位處、端墻加載區域、車鉤安裝區域等處設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 焊縫區

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、載重和整裝質量考慮。

3 車體仿真分析及結構優化

3.1 靜強度分析

仿真計算結構表明，在所有工況下，車體結構中除有2處部位出現組合應力偏大，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，需要對車體結構做結構優化，以滿足強度要求。

由于設計后期頂級指標發生變更，側墻窗口高度及大小均發生變化，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，司機室短側墻與客室側墻立面處應力值超過母材許用應力，需要優化補強角結構。

3.2 結構優化

根據計算結果，在司機室短側墻與客室側墻立面處，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EN12663-1：2010《鐵路應用——鐵路車輛車體的結構要求》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。試驗過程中發現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——鐵路車輛車體的結構要求》。

5 結語

經過計算及試驗驗證，本結構的車體滿足根據EN12663-1：2010《鐵路應用——鐵路車輛車體的結構要求》，但是由于窗口方案的變更，導致窗角區域應力較高接近許用值，補強角結構焊接復雜，需要對側墻進行打磨，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設計工作。