動車組鋁合金車體強度設計技術研究

毛哲騫

【摘要】鋁合金具有密度低、強度高、擠壓性能好、焊接性及加工性能優良等特點，已經成為高速列車動車組車體生產的主導材料。本文介紹了動車組鋁合金車體結構的設計思路、強度要求以及結構特點。依據EN12663標準要求，利用有限元法對車體強度進行了仿真計算，結果顯示車體結構能夠滿足設計要求。

【關鍵詞】動車組；鋁合金車體；結構設計；強度

一、前言

隨著高鐵技術的不斷創新，動車組車體的剛度和強度性能等問題已成為車體設計的重中之重。動車組鋁合金車體主要由底架、車頂、側墻和端墻四大部件組焊而成。本文以動車組鋁合金車體車體為研究對象，借助ANSYS仿真軟件，計算分析了垂向、拉伸、壓縮等多種工況，結果滿足車體強度要求。

二、車體結構設計

（一）概述

車體承載結構采用與車體基本等長的大型中空鋁合金型材組焊而成，為薄壁筒型整體承載結構，主要由底架、側墻、車頂、端墻、司機室結構等組成。各大部件均為長大型材拼焊而成。焊接接頭采用對接和搭接的連接方式。車體強度滿足EN12663標準PⅡ級要求；車體的焊接執行EN15085標準。車體結構的設計壽命不小于30年或1200萬公里。

（二）底架設計

底架主要由兩大部分組成，底架中部結構和底架端部結構。底架中部結構包括地板和邊梁組成，地板與邊梁焊接，縱向貫通，以提高車體縱向剛度。底架兩端為底架端部結構，集成多個系統部件的接口，以減輕重量。中間車底架組成（俯視）見圖1。

（三）車頂設計

車頂由車頂型材、端部過渡連接型材等構成，提供空調機組、新風口及車頂電氣部件等設備的安裝接口。高頂區域采取了減重設計并采用弧斷面，利于車頂排水并有益于車頂縱向剛度的提高。在有受電弓的拖車車頂設置平頂結構。高頂和平頂分別由幾塊大型中空型材拼焊而成，車頂結構圖見圖2。

（四）側墻設計

側墻由側墻上部型材、側墻下部型材、窗口下部型材、窗口上部型材、側窗型材五塊大型中空鋁型材拼焊而成，各車側墻的外部輪廓及型材斷面組成均相同。車門兩側焊有門立柱用于補強及安裝塞拉門設備。門角、窗角等高應力區設大圓弧過渡，側墻鋁結構見圖3。

（五）端墻設計

端墻主要由端墻板、兩側端角柱、彎梁組成，端門上角采用大圓角過渡并設計補強結構，避免應力集中并提高強度。如圖4所示。

三、分析計算

（一）車體強度

結合車體結構類型，選取受電弓車（整備重量最大）及頭車兩種車體進行強度仿真分析。執行標準：EN12663標準中PⅡ等級載荷工況的和氣密載荷±4000Pa要求。車體強度分別進行仿真分析，在各個強度工況作用下，應力均小于許用應力，車體靜強度滿足標準要求。主要的分析工況見表1。

（二）車體疲勞強度

車體疲勞計算工況共計3種，具體見表2，在各疲勞載荷工況作用下，車體焊接部位的最大應力范圍均小于各焊縫疲勞許用應力范圍，各位置最大疲勞累積損傷值為0.689，均小于1.0，滿足疲勞強度要求。

四、結語

動車組車體采用輕質鋁合金材質，是基于車體輕量化設計的思路。車體結構除了要具有良好的組裝工藝性外，還應具有足夠的強度。本文依據EN12663標準和《200km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》，對車體強度進行了有限元計算分析，并結合靜強度試驗結果對車體承載特性進行了驗證，為系統掌握高速動車組鋁合金車體設計技術提供了理論依據。

參考文獻

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