城际动车组车体结构优化分析

冯延成

中车长春轨道客车股份有限公司

城际动车组车体结构优化分析

冯延成

中车长春轨道客车股份有限公司

本文基于长客股份自主研发的CJ-1城际动车组，针对其大载客量的运用特点，从车体的强度、刚度、模态、疲劳及车体所采用的材料、车体主结构等几方面入手，对车体结构轻量化进行分析，为设计轻量化车体提供参考。

城际动车组；轻量化车体

1 引言

高速铁路运输是旅客运输的重要行业，已经作为人们出行的首选交通方式，但其耗费能源巨大，目前能源紧缺，所以在高铁行业进行节能势在必行；据统计，按京沪线每天开通50对高铁，人均百公里耗能3.64度电计算，那么京沪线年平均耗能17.5亿度左右，如果动车组能节能2.5%，那么每年即可节约4500万度电，每年可节约用电2250万元。因此，在我国推进高铁低碳化，发展动车组节能技术显得尤为重要；车体作为动车组的承载结构，占据了整车重量约20%-25%的比重，因此，对车体结构进行轻量化设计，是动车组节能降耗的关键。

2 车体结构轻量化研究的必要性

2.1 我国高速铁路发展现状

我国幅员辽阔，地貌复杂，这样也就造就成了我国高速动车组运营环境多样化的特点。针对不同的铁路线路环境，对于高速动车组的运营模式、技术及服役性能提出的要求也就差别巨大，所以需要根据不同的条件配以不同技术、不同系列化及个性化的动车组与之适应，轻量化是其中关键技术之一。

2.2 动车组轻量化技术

由于高速列车涉及铝合金车体、内装结构、制动系统、系统集成及转向架等关键技术及其他重要配套技术，其中每一项技术及其对应的列车(车辆)系统的轻量化和性能提升都对高速列车的整体轻量化与整车性能的提升产生重大的影响。上述关键技术的轻量化无不与先进制造技术、材料创新、结构优化息息相关。

2.3 车体轻量化技术

对于动车组来说，实现降低牵引能耗和铝合金车体轻量化这一特点与车体的强度和焊接接头的疲劳强度又是相互矛盾的，那么如何在保证高速列车不断提速的情况下，降低动车组铝合金车体的重量，同时又能保证车体结构的可靠性，这是一个重要的课题；这对铝合金材料提出了一系列的要求，如抗冲击吸能性好，抗疲劳、强度、抗裂纹能力强，还要有良好的焊接性能、吸音性和吸能性等；这也是对高速动车组铝合金车体的制造工艺的一项挑战。

3 车体结构轻量化

CJ-1型城际动车组为了满足城际车大载客量的需求，尽量降低铝合金车体的自重，借此来提高运输性能；该城际动车组主要从铝合金车体材料、铝型材断面、车体结构等几方面入手，在保证车体强度等自身性能的同时降低自身重量。

3.1 CJ-1动车组车体材料

目前，适用于制造铁路车辆的铝合金主要有Al-Mg-Si及Al-Zn-Mg两大系列。日本铝合金车体列车所用材料主要为7N0l(7005)合金，它具有良好的挤压性能和焊接性能，主要应用于端面梁、底座、槛、偶面构件骨架、车体枕粱、车端墙等部位。近几年开始用6N0l合金(即6005合金的日产化) 生产的多孔复杂壁空心型材广泛代替7N0l、7003型材，作为车体、顶板和侧板结构的型材材料。由于Al-Mg-Si 6005A的挤压性能更好，西欧铝合金车体用它来生产复杂型材，这样使用性能更优，也使车辆结构更合理。结合国外车体材料的发展趋势，根据我国CRH系列动车组车体使用材料的特点，CJ-1型城际动车组车体结构材料按DIN 5513标准选择，型材铝合金牌号为6005A-T6、6082-T6铝镁合金，板材为5083-H111、5754-H22和板型材6082-T6，上述材料在保证材料焊接性能和腐蚀性能基础上，由于具有较好的挤压性能，可以适当减薄型材的厚度，降低车体的重量。

3.2 车体型材

车体型材长度与车体等长，侧墙型材5种，厚度为50mm；车顶型材6种、共10块，厚度为50mm；底架型材5种、共8块，厚度为70mm。车体断面根据不同位置结构不同，由16种共28块挤压铝型材组焊而成，挤压型材为中空、闭口、薄壁、通长的型材。

3.3 车体结构

车体主要由三种不同的车型组成，包括普通的中间车、带有司机室的头车和带受电弓的中间车。以中间车为例，这是最基本的车型，其由车顶、侧墙、端墙、底架几个大部件构成；头车是在中间车的基础上增加了空气动力学前端，取消了中间车一位端的端墙。

车体主断面型材间的连接形式用插接或搭接形式。如地板和边梁用插接形式连接，地板由6块型材拼焊而成。

4 计算分析验证

为达到减轻车体重量的目的，对车体结构进行了优化改进，优化了型材断面，对车体材料的选择又重新优化，最后，车体结构及材料轻量化还要保证车体刚度、车体疲劳、体静强度、车体模态均满足相关标准的要求，随后又开展了试验验证工作。

4.1 车体静强度及模态

依据EN 12663规定，车体静强度工况的计算结果满足其所提出的强度要求。

中间车车体一阶垂向弯曲模态 15.809Hz，头车车体一阶垂向弯曲 17.818Hz，如图1和图2所示。

图1 TP车车体一阶垂向弯曲模态

图2 MC车车体一阶垂向弯曲模态

4.3 车体刚度

依据标准TB/T 1335-1996(铁道车辆强度设计与试验鉴定规范)对车体刚度进行计算，AW3工况下车体中部边梁下翼缘的垂向位移为7.28mm。

4.4 车体疲劳

根据美国ASME标准中的结构应力法及BS EN12663-1：2010中提供的疲劳载荷，对中间车车体焊缝进行了应力集中分析疲劳寿命预测，均满足车体疲劳寿命的设计要求。

5 结束语

通过对型材断面、拉伸方向、车体轮廓、型材加强筋厚度的优化，在保证车体疲劳、模态、强度、刚度等条件的前提下，车体重量降低重量近0.9吨，达到了车体轻量化的目标。

[1]严隽耄，傅茂海.车辆工程(第三版)[M].北京：中国铁道出版社，2009.