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[摘 要]随着优化设计领域的发展，结构轻量化越来越受到设计者的重视。如何将工程结构所选材料的性能与其自身重量达到最匹配是设计者始终研究与探索的。在动车组内装结构中，地板、侧墙、防寒材是对车体总重量影响较大的大部件，要实现车体轻量化可以选取这几部分为目标进行优化设计。本文的研究方法为动车组内装结构的结构分析和轻量化设计问题提供了一定的参考价值，也为动车组车辆优化设计的深入研究打下了一定的基础。
[关键词]动车组；轻量化；内装设计
中图分类号：U271 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0241-01
1 内装系统轻量化的作用
1.1 减少运行阻力，节约牵引能耗
动车组运行阻力包括基本阻力以及附加阻力。动车组的轻量化不仅可以降低其基本阻力中的机械阻力，还能降低附加阻力中坡道、弯道以及启动阻力等。轨道车辆的机械阻力由多种因素共同决定，没有通用的公式，试验表明：动车重量与机械阻力成二次函数的关系，运行阻力的减小，使得动车加减速及高速运行时所需要的牵引力减小，从而节约了牵引能耗。
1.2 减少制动能耗
动车组轻量化可以减轻制动设备负载，降低制动距离，减少制动能耗，提高列车安全性能，轻量化对减轻制动的负担有很大的效果。
1.3 减少使用维护能耗
动车组的轻量化可以减小轮轨冲击，降低轮轨之间的磨耗，降低车辆的使用维护成本，提高车辆的生命周期，同时也降低了线路的维护保养成本。
1.4 减少对环境的影响
动车组的轻量化能够降低轴重变化范围和横压，提高车辆运行稳定性，减振降噪，能够改善振动和噪声引起的环境问题。
2 轻量化内装设计要点
2.1 复合材料的应用
人体由细胞组织构成，细胞组织主要由细胞膜、核糖体等构成。人的细胞影响人体的生理和运动功能。同样，金属材料由金属组织组成。假如将金属组织视为细胞组织，那么，晶粒就相当于细胞，晶界就相当于细胞膜，析出物就是核糖体这样的晶粒和析出物容易影响铝合金的强度、加工性能、腐蚀性、焊接性。迄今为止，主要用控制晶粒的方法研究如何提高强度。
1）轻质高强节能
复合材料有着较高的比強度（材料的抗拉强度与模量及密度的比值，又称作强度-重量比）和比模量（单位密度的弹性模量），先进的复合材料的相对质量密度一般在1.15-2.1之间，只有普通碳钢的1/5-1/4，而机械强度却达到或超过普通碳钢的水平，几种典型复合材料与常用金属材料的性能对比如下表1所示。复合材料强度和弹性模量高，起到很好的承载作用，可以作为承载结构，同时因为其高比强度和比模量，导致其重量很轻，对动车的轻量化节能环保具有重要的作用。
2.冲击初度：材料抗冲击载荷的能力；
3.线膨胀系数：单位温度变化所导致的体积变化
2）安全节能
复合材料有着较高的疲劳强度和较低的缺口敏感度，因此其安全性很高。承载结构失效，很多是因为动态承载结构件超过了疲劳强度而致使其破坏，而复合材料的耐疲劳性能非常好，金属材料的疲劳强度只有其抗拉强度的}0^'S0%，而复合材料的疲劳强度可以达到其抗拉强度的70'80%，甚至会更高。
3）模块化节能
多个部件的一体化设计是降低成本的有效途径，复合材料与构件能够实现一次同时成型，提高部件模块化。该特点使部件的组成零件数量明显减少，减轻了重量，简化了制造工序，从而节约成本。复合材料优势明显，其在国内外轨道车辆上的得到了普遍的应用，如铝塑复合板用于客室中顶板、侧顶板；玻璃钢在整体卫生间、墙板、顶板上都有很多的应用；Nomex（诺梅克斯一芳纶）蜂窝板在客室顶板、墙板、地板和行李架的应用；复合隔音地板（胶合板+橡胶十胶合板）、玻璃钢夹树脂发泡板（玻璃钢板+树脂泡沫十玻璃钢板）间壁板等。
2.2 内装系统的结构设计
动车内装系统设计在满足标准要求和安全的情况下，结构尽可能简单方便，减少安装层级。如以往25T型车铁路客车的侧墙板安装，分为骨架和墙板两部分，不仅安装人工成本高，而且骨架多，墙板厚，增加了成本和重量，而动车组的墙板安装则经过结构优化，将骨架与墙板复合在一起，形成模块化墙板，进行整体安装。不仅节约了大量人工和材料成本，而且重量大大减轻。
动车主要承载结构如车体、转向架和吊挂件等，从初始设计阶段，就采用CAE（有限元分析）方法进行强度、刚度、模态、疲劳计算，确保车辆满足相关标准和要求，在此基础上不断对具体结构进行更改优化，达到轻量化的目标。而内装系统部件的设计，大多是根据经验设计，往往预留安全系数过高或结构存在不合理的地方。内装部件的设计，尤其是承载部件，如地板，也需要采用CAE（有限元分析）方法进行校核设计。
以往25T型车铁路客车的地板安装分骨架和地板两部分，骨架通过连接座与底架钢结构连接，木地板再与骨架连接，安装复杂，而且担心木地板刚度和强度不够，骨架往往过多，大大增加了成本和重量。在动车组的设计过程中，通过采用CAE（有限元分析）方法对地板进行校核设计，取消骨架，采用单个橡胶支撑垫与底架钢结构之间支撑的安装形式，地板材质选用铝蜂窝，并使用模块化结构。此种地板结构安装方便，而且通过计算得出重量相比原结构减轻30%以上。
2.3 内装系统的隔热设计
为保证动车车内温度适宜，在安装环控设备（制冷及采暖设备如空调、电热器等）的基础上，车体必须具备良好的隔热性能，最大限度减少车内外热量传递，节约环控能耗。车体的隔热壁传热性能分析方法一般采用稳定传热原理，即假设隔热壁中温度的分布和热流的大小始终保持固定的数值而且不随时间变化。分析车体隔热壁内部传热和边界传热特点以进行传热计算，就能得到反映车体隔热壁传热性能的参数，这个参数称为车体隔热壁传热系数（k值），代表当车内外空气温度相差1℃时，1h内，通过一平方米的车体隔热壁所传递的热量。车体隔热壁的隔热性能主要在于防寒材的选择，动车防寒材以前常用的是玻璃棉板，现在一般选用隔热性能更好、密度更低、隔音性能更好的碳纤维和三聚氰胺泡沫板。
动车内装系统设计需要使用到更多的新材料和新结构达到节能环保以及轻量化的目的，而随着新科学技术和更先进设计手段的运用，如新的复合材料的研制、复合材料的评定方法和分析计算理论的发展等也使得动车内装系统的轻量化设计有很大的提升空间。
参考文献
[1] 贾坤.浅议如何提高动车组内装设计的轻量化[J].科技创新与应用，2015，（09）：55.
[2] 包鸣.浅析城市轨道车辆内装轻量化新材料的应用[J].中国新技术新产品，2015，（16）：20-21.
[关键词]动车组；轻量化；内装设计
中图分类号：U271 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0241-01
1 内装系统轻量化的作用
1.1 减少运行阻力，节约牵引能耗
动车组运行阻力包括基本阻力以及附加阻力。动车组的轻量化不仅可以降低其基本阻力中的机械阻力，还能降低附加阻力中坡道、弯道以及启动阻力等。轨道车辆的机械阻力由多种因素共同决定，没有通用的公式，试验表明：动车重量与机械阻力成二次函数的关系，运行阻力的减小，使得动车加减速及高速运行时所需要的牵引力减小，从而节约了牵引能耗。
1.2 减少制动能耗
动车组轻量化可以减轻制动设备负载，降低制动距离，减少制动能耗，提高列车安全性能，轻量化对减轻制动的负担有很大的效果。
1.3 减少使用维护能耗
动车组的轻量化可以减小轮轨冲击，降低轮轨之间的磨耗，降低车辆的使用维护成本，提高车辆的生命周期，同时也降低了线路的维护保养成本。
1.4 减少对环境的影响
动车组的轻量化能够降低轴重变化范围和横压，提高车辆运行稳定性，减振降噪，能够改善振动和噪声引起的环境问题。
2 轻量化内装设计要点
2.1 复合材料的应用
人体由细胞组织构成，细胞组织主要由细胞膜、核糖体等构成。人的细胞影响人体的生理和运动功能。同样，金属材料由金属组织组成。假如将金属组织视为细胞组织，那么，晶粒就相当于细胞，晶界就相当于细胞膜，析出物就是核糖体这样的晶粒和析出物容易影响铝合金的强度、加工性能、腐蚀性、焊接性。迄今为止，主要用控制晶粒的方法研究如何提高强度。
1）轻质高强节能
复合材料有着较高的比強度（材料的抗拉强度与模量及密度的比值，又称作强度-重量比）和比模量（单位密度的弹性模量），先进的复合材料的相对质量密度一般在1.15-2.1之间，只有普通碳钢的1/5-1/4，而机械强度却达到或超过普通碳钢的水平，几种典型复合材料与常用金属材料的性能对比如下表1所示。复合材料强度和弹性模量高，起到很好的承载作用，可以作为承载结构，同时因为其高比强度和比模量，导致其重量很轻，对动车的轻量化节能环保具有重要的作用。
2.冲击初度：材料抗冲击载荷的能力；
3.线膨胀系数：单位温度变化所导致的体积变化
2）安全节能
复合材料有着较高的疲劳强度和较低的缺口敏感度，因此其安全性很高。承载结构失效，很多是因为动态承载结构件超过了疲劳强度而致使其破坏，而复合材料的耐疲劳性能非常好，金属材料的疲劳强度只有其抗拉强度的}0^'S0%，而复合材料的疲劳强度可以达到其抗拉强度的70'80%，甚至会更高。
3）模块化节能
多个部件的一体化设计是降低成本的有效途径，复合材料与构件能够实现一次同时成型，提高部件模块化。该特点使部件的组成零件数量明显减少，减轻了重量，简化了制造工序，从而节约成本。复合材料优势明显，其在国内外轨道车辆上的得到了普遍的应用，如铝塑复合板用于客室中顶板、侧顶板；玻璃钢在整体卫生间、墙板、顶板上都有很多的应用；Nomex（诺梅克斯一芳纶）蜂窝板在客室顶板、墙板、地板和行李架的应用；复合隔音地板（胶合板+橡胶十胶合板）、玻璃钢夹树脂发泡板（玻璃钢板+树脂泡沫十玻璃钢板）间壁板等。
2.2 内装系统的结构设计
动车内装系统设计在满足标准要求和安全的情况下，结构尽可能简单方便，减少安装层级。如以往25T型车铁路客车的侧墙板安装，分为骨架和墙板两部分，不仅安装人工成本高，而且骨架多，墙板厚，增加了成本和重量，而动车组的墙板安装则经过结构优化，将骨架与墙板复合在一起，形成模块化墙板，进行整体安装。不仅节约了大量人工和材料成本，而且重量大大减轻。
动车主要承载结构如车体、转向架和吊挂件等，从初始设计阶段，就采用CAE（有限元分析）方法进行强度、刚度、模态、疲劳计算，确保车辆满足相关标准和要求，在此基础上不断对具体结构进行更改优化，达到轻量化的目标。而内装系统部件的设计，大多是根据经验设计，往往预留安全系数过高或结构存在不合理的地方。内装部件的设计，尤其是承载部件，如地板，也需要采用CAE（有限元分析）方法进行校核设计。
以往25T型车铁路客车的地板安装分骨架和地板两部分，骨架通过连接座与底架钢结构连接，木地板再与骨架连接，安装复杂，而且担心木地板刚度和强度不够，骨架往往过多，大大增加了成本和重量。在动车组的设计过程中，通过采用CAE（有限元分析）方法对地板进行校核设计，取消骨架，采用单个橡胶支撑垫与底架钢结构之间支撑的安装形式，地板材质选用铝蜂窝，并使用模块化结构。此种地板结构安装方便，而且通过计算得出重量相比原结构减轻30%以上。
2.3 内装系统的隔热设计
为保证动车车内温度适宜，在安装环控设备（制冷及采暖设备如空调、电热器等）的基础上，车体必须具备良好的隔热性能，最大限度减少车内外热量传递，节约环控能耗。车体的隔热壁传热性能分析方法一般采用稳定传热原理，即假设隔热壁中温度的分布和热流的大小始终保持固定的数值而且不随时间变化。分析车体隔热壁内部传热和边界传热特点以进行传热计算，就能得到反映车体隔热壁传热性能的参数，这个参数称为车体隔热壁传热系数（k值），代表当车内外空气温度相差1℃时，1h内，通过一平方米的车体隔热壁所传递的热量。车体隔热壁的隔热性能主要在于防寒材的选择，动车防寒材以前常用的是玻璃棉板，现在一般选用隔热性能更好、密度更低、隔音性能更好的碳纤维和三聚氰胺泡沫板。
动车内装系统设计需要使用到更多的新材料和新结构达到节能环保以及轻量化的目的，而随着新科学技术和更先进设计手段的运用，如新的复合材料的研制、复合材料的评定方法和分析计算理论的发展等也使得动车内装系统的轻量化设计有很大的提升空间。
参考文献
[1] 贾坤.浅议如何提高动车组内装设计的轻量化[J].科技创新与应用，2015，（09）：55.
[2] 包鸣.浅析城市轨道车辆内装轻量化新材料的应用[J].中国新技术新产品，2015，（16）：20-21.