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摘要：文章介绍了一种城际动车组的车体结构设计，阐述了结构设计中的难点及解决措施，列举了车体强度计算的主要工况及静强度和模态试验结果，结果表明该车体结构合理。
关键词：城际动车组；车体结构；强度计算；模态试验；优化设计 文献标识码：A
中图分类号：U270 文章编号：1009-2374（2017）05-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.022
1 概述
随着经济的发展，越来越多的城市开始联接为一个整体，越来越多的人开始奔波周边各个城市，舒适、快捷的城际轨道交通显得越来越重要，城际动车组的研发有着非常重大意义。我司应邀参与城际动车组研制，本城际动车组车体结构基于我公司生产的动车组车体及地铁车体平台研制而成的。
2 车体结构设计
车体采用大型中空铝型材断面结构，整体承载结构。车体结构由底架、顶盖、侧墙、端墙、司机室（带司机室的头车）等模块组成。整车模型（带玻璃钢头罩的头车结构）见图1：
2.1 底架结构设计
底架是车体的主要承重结构，是整个车体的承载基础，它不仅承受垂向载荷，而且还传递车辆的纵向力、扭转载荷及承受各种复杂的运动力。底架结构主要由Ⅱ端端部结构、Ⅰ端端部结构、长地板、边梁、横梁等部件组成。底架设备采用底架地板C型材和边梁悬挂结合的方式，除较重设备采用边梁悬挂外，其他的采用地板C型材悬挂。为解决底架刚性，防止与底架设备产生共振，增加车内乘客舒适性，将底架地板厚度增加至80mm。
2.2 顶盖结构
顶盖由顶盖边梁、长梁，圆弧顶盖板及隔墙板等组成，顶盖上设置通长C型槽，用来安装内装及风道。空调采用嵌入式安装，代替以往项目的空调平台安装结构，空调两边设置导流罩，使车辆顶部结构更具流线型，减小空气阻力，满足空气动力学要求。
2.3 侧墙结构
侧墙为分体式结构，由多个侧墙单元组成，每个单元由侧墙型材和门立柱组成。在侧墙型材上设置通长的么C型槽，用于安装风道、内装、行李架等部件。
2.4 端墙结构
端墙由端墙立柱和铝板组成的板梁结构。
2.5 材料的选取及焊接
车体材料主要为型材和板材组装，型材材质主要为EN AW 6005-T6，其中牵引梁型材材质为EN AW 6082-T6；板材材质主要为EN AW 6082-T6，折彎件采用EN AW 5083-H111。焊接按照EN 15085标准执行，对于应力较大焊缝或承载重要位置焊缝按照焊缝质量等级不低于CP B，检验等级不低于CT 2的标准来执行，对于局部焊缝按检验等级CT 2检验不可达，则需要采用100%表面检查。
3 设计难点与解决措施
3.1 轻量化设计
车体结构尺寸比较大，要保证车体强度及刚度，轻量化设计更是一个设计难点，在设计过程中首先考虑的是通过减薄型材壁厚及增大内部筋板间距，经优化后发现这些措施对车体轻量化贡献不大。为了达到轻量化设计，考虑将壁厚较大的端部结构进行优化设计，因端部结构是车钩拉压力的主要传力部件及转向架的承载部件，为减薄材料厚度，就必须通过一种新型的结构才能满足要求，本项目通过增加一种型材代替原来的板材焊接，将应力较大的焊缝位置由型材的母材代替，将焊缝位置移动到应力较小的中间位置，这样端部结构的缓冲梁厚度平均减薄4mm，该结构不仅大大减轻了重量，还减少了配件，有利于装配，减少焊接输入量，减轻焊接变形。
3.2 车钩安装结构优化
目前底架前端车钩高度比以往项目高，尤其是头车I位端，高度为1000mm，按照以往项目设计方案，车钩安装与底架地板干涉。为解决该问题，并避免结构上较大的变化，采用一种新型的型材断面，在原有型材断面上增加一个型腔，将螺栓的后置安装更改为在型材内部安装，并将前端横梁设计也做了优化，将横梁断面上部加高到地板面上部，并将地板面下部挖孔，确保车钩活动空间，该方案有效地解决了车钩高度高的问题，也避免了司机室骨架的密集焊缝结构。
3.3 底架边梁拼接结构优化
车辆前端设计不仅要考虑美观，还要充分考虑生产制造成本，车头采用包边梁的玻璃钢头罩结构，这种结构需要头罩处边梁与客室处边梁有一个台阶，确保头罩安装后能与侧墙平齐。这需要边梁分为两部分，为了便于连接，在边梁拼接处采用过渡板连接。在该处也是司机室门立柱焊接位置，在该位置焊缝较多，容易出现焊接缺陷，影响车辆安全。为解决该问题，将过渡板加长，伸到司机室门立柱区域，尺寸大于50mm，以避免焊缝重叠及减少焊缝集中，减少焊缝缺陷的产生。另外，板厚方向的两侧都有焊缝，为避免因板材缺陷，在焊缝收缩后板材开裂，在该处采用挤压板材。
3.4 门角结构优化
客室门角区域一般是应力较大的区域，加上本项目采用了嵌入式空调安装方式，根据空调、转向架及门的布置，在两端门角将会有较大的应力。考虑到车体外形尺寸比以往项目都大，将应力较大的区域设置在母材上，即顶盖边梁和顶盖边梁断面加高，门角结构应力较大区域设置在边梁上，通过加工方式获取，对于应力较大区域还是需要通过独立门角来解决，在靠近车体端部的每个门框应力较大的区域设计一个独立门角，将应力较大的焊缝区域转换为母材区域。一方面解决车体的刚度；另一方面尽量减少独立门角的使用，降低成本。
3.5 端墙结构优化
端墙采用以往项目方案，因城际动车组比城轨地铁宽度和高度尺寸都较大，根据EN 12663-2010标准要求，端墙区域还需要满足：在牵引梁地板上部150mm处满足400kN的压缩力；车体腰带及顶盖边梁处满足300kN的压缩力。为了解决强度要求，在内部设置每侧设计3组横梁，通过计算，这种方案能满足要求，但对焊缝有较高的要求，即在横梁的端部需要焊透。 3.6 头罩安装
头罩与车体的联接采用传统的粘接方式。头罩包边梁结构，原有平台无法借用，另外开闭机构及其他的设备的空间需求，导致头罩有1/4长度将超出车体，这些将影响车体和头罩的接口及粘接方案。主要通过以下方案进行优化：在边梁位置通过在头罩上设计凸台，与边梁搭接，从内部粘接；在前端位置，在车体上设计平台，延伸到前窗玻璃下部与头罩搭接，从内部打胶。在局部位置因司机室骨架及防撞梁，导致前端部分位置无施胶空间，后通过将头罩不承力部分结构进行拆分，分步粘接。
4 静强度分析
车体设计载荷主要采取欧洲标准EN 12663-2010，车辆标准归类为P-Ⅱ型固定车组。用ANSYS静强度分析模块对车体的结构进行了仿真计算，通过分析验证，在所有计算工况下，车体的计算应力均低于许用应力。表1是Mc车几个主要载荷工况。
5 试验
5.1 静强度试验
依据《铁路应用-铁路车身的结构要求》（EN 12663-2010），并参照《机车车体静强度试验规范》（TB/T 2541-2010）对车体结构进行了车体静强度试验，根据车体结构差异，对Mc1车和Tp1车进行了强度试验，试验结果与计算结果基本一致，所有测点应力均小于材料或焊缝的许用应力，表明车体结构设计是合理的、可靠的。
5.2 模态试验
采用Block Lanczos算法對车体进行自由模态进行计算并对车体进行模态试验测试。试验结果为整备下模态均大于10Hz，符合要求。
6 结语
在设计过程中对车体底架、侧墙、车顶、端墙等部件进行结构设计及优化，通过反复有限元计算分析，并通过了静强度试验验证。在满足强度和刚度标准的前提下，优化后的车体结构具有轻量化和等强度特点，基本达到预期目标。
参考文献
[1] 铁路应用-轨道机车车辆以及轨道机车车辆部件的焊接（EN 15085）[S].
[2] 铁路应用-铁路车身的结构要求（EN 12663-2010）[S].
[3] 机车车辆动力学性能台架试验方法（TB/T 3115-2005）[S].
作者简介：张海波（1982-），男，湖北孝感人，中车株洲电力机车有限公司中级工程师，研究方向：机械设计。
（责任编辑：黄银芳）
关键词：城际动车组；车体结构；强度计算；模态试验；优化设计 文献标识码：A
中图分类号：U270 文章编号：1009-2374（2017）05-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.022
1 概述
随着经济的发展，越来越多的城市开始联接为一个整体，越来越多的人开始奔波周边各个城市，舒适、快捷的城际轨道交通显得越来越重要，城际动车组的研发有着非常重大意义。我司应邀参与城际动车组研制，本城际动车组车体结构基于我公司生产的动车组车体及地铁车体平台研制而成的。
2 车体结构设计
车体采用大型中空铝型材断面结构，整体承载结构。车体结构由底架、顶盖、侧墙、端墙、司机室（带司机室的头车）等模块组成。整车模型（带玻璃钢头罩的头车结构）见图1：
2.1 底架结构设计
底架是车体的主要承重结构，是整个车体的承载基础，它不仅承受垂向载荷，而且还传递车辆的纵向力、扭转载荷及承受各种复杂的运动力。底架结构主要由Ⅱ端端部结构、Ⅰ端端部结构、长地板、边梁、横梁等部件组成。底架设备采用底架地板C型材和边梁悬挂结合的方式，除较重设备采用边梁悬挂外，其他的采用地板C型材悬挂。为解决底架刚性，防止与底架设备产生共振，增加车内乘客舒适性，将底架地板厚度增加至80mm。
2.2 顶盖结构
顶盖由顶盖边梁、长梁，圆弧顶盖板及隔墙板等组成，顶盖上设置通长C型槽，用来安装内装及风道。空调采用嵌入式安装，代替以往项目的空调平台安装结构，空调两边设置导流罩，使车辆顶部结构更具流线型，减小空气阻力，满足空气动力学要求。
2.3 侧墙结构
侧墙为分体式结构，由多个侧墙单元组成，每个单元由侧墙型材和门立柱组成。在侧墙型材上设置通长的么C型槽，用于安装风道、内装、行李架等部件。
2.4 端墙结构
端墙由端墙立柱和铝板组成的板梁结构。
2.5 材料的选取及焊接
车体材料主要为型材和板材组装，型材材质主要为EN AW 6005-T6，其中牵引梁型材材质为EN AW 6082-T6；板材材质主要为EN AW 6082-T6，折彎件采用EN AW 5083-H111。焊接按照EN 15085标准执行，对于应力较大焊缝或承载重要位置焊缝按照焊缝质量等级不低于CP B，检验等级不低于CT 2的标准来执行，对于局部焊缝按检验等级CT 2检验不可达，则需要采用100%表面检查。
3 设计难点与解决措施
3.1 轻量化设计
车体结构尺寸比较大，要保证车体强度及刚度，轻量化设计更是一个设计难点，在设计过程中首先考虑的是通过减薄型材壁厚及增大内部筋板间距，经优化后发现这些措施对车体轻量化贡献不大。为了达到轻量化设计，考虑将壁厚较大的端部结构进行优化设计，因端部结构是车钩拉压力的主要传力部件及转向架的承载部件，为减薄材料厚度，就必须通过一种新型的结构才能满足要求，本项目通过增加一种型材代替原来的板材焊接，将应力较大的焊缝位置由型材的母材代替，将焊缝位置移动到应力较小的中间位置，这样端部结构的缓冲梁厚度平均减薄4mm，该结构不仅大大减轻了重量，还减少了配件，有利于装配，减少焊接输入量，减轻焊接变形。
3.2 车钩安装结构优化
目前底架前端车钩高度比以往项目高，尤其是头车I位端，高度为1000mm，按照以往项目设计方案，车钩安装与底架地板干涉。为解决该问题，并避免结构上较大的变化，采用一种新型的型材断面，在原有型材断面上增加一个型腔，将螺栓的后置安装更改为在型材内部安装，并将前端横梁设计也做了优化，将横梁断面上部加高到地板面上部，并将地板面下部挖孔，确保车钩活动空间，该方案有效地解决了车钩高度高的问题，也避免了司机室骨架的密集焊缝结构。
3.3 底架边梁拼接结构优化
车辆前端设计不仅要考虑美观，还要充分考虑生产制造成本，车头采用包边梁的玻璃钢头罩结构，这种结构需要头罩处边梁与客室处边梁有一个台阶，确保头罩安装后能与侧墙平齐。这需要边梁分为两部分，为了便于连接，在边梁拼接处采用过渡板连接。在该处也是司机室门立柱焊接位置，在该位置焊缝较多，容易出现焊接缺陷，影响车辆安全。为解决该问题，将过渡板加长，伸到司机室门立柱区域，尺寸大于50mm，以避免焊缝重叠及减少焊缝集中，减少焊缝缺陷的产生。另外，板厚方向的两侧都有焊缝，为避免因板材缺陷，在焊缝收缩后板材开裂，在该处采用挤压板材。
3.4 门角结构优化
客室门角区域一般是应力较大的区域，加上本项目采用了嵌入式空调安装方式，根据空调、转向架及门的布置，在两端门角将会有较大的应力。考虑到车体外形尺寸比以往项目都大，将应力较大的区域设置在母材上，即顶盖边梁和顶盖边梁断面加高，门角结构应力较大区域设置在边梁上，通过加工方式获取，对于应力较大区域还是需要通过独立门角来解决，在靠近车体端部的每个门框应力较大的区域设计一个独立门角，将应力较大的焊缝区域转换为母材区域。一方面解决车体的刚度；另一方面尽量减少独立门角的使用，降低成本。
3.5 端墙结构优化
端墙采用以往项目方案，因城际动车组比城轨地铁宽度和高度尺寸都较大，根据EN 12663-2010标准要求，端墙区域还需要满足：在牵引梁地板上部150mm处满足400kN的压缩力；车体腰带及顶盖边梁处满足300kN的压缩力。为了解决强度要求，在内部设置每侧设计3组横梁，通过计算，这种方案能满足要求，但对焊缝有较高的要求，即在横梁的端部需要焊透。 3.6 头罩安装
头罩与车体的联接采用传统的粘接方式。头罩包边梁结构，原有平台无法借用，另外开闭机构及其他的设备的空间需求，导致头罩有1/4长度将超出车体，这些将影响车体和头罩的接口及粘接方案。主要通过以下方案进行优化：在边梁位置通过在头罩上设计凸台，与边梁搭接，从内部粘接；在前端位置，在车体上设计平台，延伸到前窗玻璃下部与头罩搭接，从内部打胶。在局部位置因司机室骨架及防撞梁，导致前端部分位置无施胶空间，后通过将头罩不承力部分结构进行拆分，分步粘接。
4 静强度分析
车体设计载荷主要采取欧洲标准EN 12663-2010，车辆标准归类为P-Ⅱ型固定车组。用ANSYS静强度分析模块对车体的结构进行了仿真计算，通过分析验证，在所有计算工况下，车体的计算应力均低于许用应力。表1是Mc车几个主要载荷工况。
5 试验
5.1 静强度试验
依据《铁路应用-铁路车身的结构要求》（EN 12663-2010），并参照《机车车体静强度试验规范》（TB/T 2541-2010）对车体结构进行了车体静强度试验，根据车体结构差异，对Mc1车和Tp1车进行了强度试验，试验结果与计算结果基本一致，所有测点应力均小于材料或焊缝的许用应力，表明车体结构设计是合理的、可靠的。
5.2 模态试验
采用Block Lanczos算法對车体进行自由模态进行计算并对车体进行模态试验测试。试验结果为整备下模态均大于10Hz，符合要求。
6 结语
在设计过程中对车体底架、侧墙、车顶、端墙等部件进行结构设计及优化，通过反复有限元计算分析，并通过了静强度试验验证。在满足强度和刚度标准的前提下，优化后的车体结构具有轻量化和等强度特点，基本达到预期目标。
参考文献
[1] 铁路应用-轨道机车车辆以及轨道机车车辆部件的焊接（EN 15085）[S].
[2] 铁路应用-铁路车身的结构要求（EN 12663-2010）[S].
[3] 机车车辆动力学性能台架试验方法（TB/T 3115-2005）[S].
作者简介：张海波（1982-），男，湖北孝感人，中车株洲电力机车有限公司中级工程师，研究方向：机械设计。
（责任编辑：黄银芳）