标准化动车组中间车体侧墙轻量化与结构优化设计

刘新喜贺东宇付一娜

摘要：随着资源紧缺问题的日益突出，结构轻量化越来越受到设计者的重视，其中性能和材料的使用之间的权衡是结构优化永恒的话题。本文通过验证标准化动车组中间车体结构强度、弯曲刚度、扭转刚度及模态，以车体侧墙为研究对象。以车体质量最轻为目标进行了单目标和多目标两种优化方案多工况优化探讨，并在尺寸优化结果的基础上进行了侧墙筋板角度的形状优化设计。

关键词：动车组；车体侧墙轻量化结构；优化设计

高铁，代表着中国装备制造的能力和水平，在世界舞台绽放出绚丽的风采。从中俄签订“莫斯科一喀山一叶卡捷琳堡”高铁协议，到收获雅加达至万隆高铁项目，再到中东欧16国领导人共乘和谐号，中国高铁在激烈的国际市场竞争中初露锋芒。

1标准动车的发展

我国中长距离运输最普遍的交通方式，铁路交通正在飞速发展，近几年，我国秉承自力更生，自主创新的基础上，不断与各国加强技术交流，技术合作，我国与庞巴迪，西门子、川崎重工，阿尔斯通等许多国家的专业公司合作，在此基础上，我国的铁路动车组制造，设计又向现代化迈进了一大步，如今我国的高速动车组CRH1、CRH2、CRH3、CRH5及CRH380系列动车组己遍布于我国大江南北.中国南车和中国北车重组成中国中车作为国家“一带一路”大方向的战略，加快了我国高速动车组的自主研发的脚步。

中国标准化动车组(CEMU)，指研制以自主化为标准、以标准化为前提、以需求为牵引来开展的正向设计的创新过程。首先在充分调研总结已有动车组运行经验的基础上，结合中国实际运用的一些需求，融会既有技术平台的优点来开展顶层设计，提出了动车组总体的技术条件。通过这样的设计，就形成了中国标准化动车组的整个研制过程。

2动车车体制造要求

2.1动车车体的设计

在车体整体的结构设计完成和车体承载结构形式确定好的基础上，再进行车体结构的截面尺寸的设计，这项工作主要内容包括对车体车顶、侧墙、底架和牵缓枕等部件的布局以及它们截面尺寸的设置。在设计过程中，设计师应考虑到以下几个方面:

(1)满足总体设计要求;

(2)保证车体具有足够的强度和刚度;车体结构截面尺寸可以通过参考同类型产品在设计制造和使用中的经验可以初步设定，在对车体进行多个工况下(垂向载荷、纵向载荷及扭转载荷)的强度分析之后，并根据结果对部分截面尺寸进行适当的修改或者重新设计;车体刚度参数(弯曲刚度、扭转刚度以及模态振型)是一个非常重要的指标，刚度的不足，会导致车体在运行过程中门窗等开口处变形过大，进而影响车体的气密性;车体固有频率降低，易与线路产生的微扰频率产生共报，削弱结构中连接接头等部位的疲劳强度，使车体的疲劳寿命大大降低;与此同时，刚度的不足也会对列车的运行平稳性、舒适性和安全性起到直接或间接的影响。此外，车体侧墙轻量化研究对车辆提速及降低轴重、减少能耗有重要意义。

3动车组轻量化的措施

3.1降低轴重

采用空心车轴代替实心车轴，与实心车轴比，减轻质量20-40%减轻轴重还能有效的降低对地基的振动，减少线路的破坏和维修工作量，进而减少钢轨的损伤和提高其使用寿命。

3.2车体结构的轻量化设计

3.2.1设计要求

车体结构既要满足轻量化的要求又必须保讧结构的强度和刚度要求以及高寿命的安全度和可靠生要求。设计寿命达到20年以上。

3.2.2车体轻量化材料

一般含碳量小于0.02%的叫熟铁或纯铁，含量在0.02-2.11的叫钢，含量在2.11-6.69的叫生铁。熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低;三铁含碳很多，硬而脆;钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢具有强度高，塑性好，具有良好的韧性;但是，钢材易锈蚀。

耐候钢:即耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成。

不锈钢:指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。不锈钢中的主要合金元素是Cr,只有当C含量达到一定值时，钢才有耐蚀性不锈钢一般C含量均在13%.上。不锈钢基本合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等。

铝合金:是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝一锰合金、铝一铜合金、铝一铜一镁系硬铝合金、铝一锌一镁一铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能:易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铭等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。铝合金车体的特点是利用铝的相对体积质量约为普通钢的1/3这一点来减轻车体自重，铝合金车体的自重一般可达到普通钢车体的1/2。

由上可以看出车体轻量化的主要措施是采用铝合金车体。目前国外铁路动车和拖车的车体承载结构已经由原来的谈钢结构经过不锈钢结构发展到铝合金时代。而铝合金结构也由最初的以铝代钢的原钢结构，经过铝型材结构、铝蜂窝结构、大型铝挤压型材，发展到中空双表面大型铝合金挤压型材。“和谐号”系列车型的一个共同特点就是车体轻，速度快。采用的是铝合金车体，重量比欧洲同类车体轻20%以上。车体如此之轻，同样，列车在节能上的表现极为优越。

3.3车内设备的轻量化技术

车内没备材料，首先应满足功能要求和防火阻燃要求，装饰板应反映时代感。车内设备约占客车总重量的20%轻量化具有重要意义。车内设备如门、窗、行李架、座椅、供水设备、卫生设备等，广泛选用轻合金或高分子工程材料和复合材料，使设备重量大大减轻，车内装饰板材广泛采用薄膜铝合金墙板、工程塑料顶板等。

3.4转向架结构轻量化技术

降低转问架自重是高速转向架汝术开发的一一个重要方面，它对改善午辆振动性能和减小轮轨之间的动力作用均具有显著效果。目前转向架轻量化主要体现在如下几个方面:

(1)采用无摇枕结构。取消摇忱结构，采用垂向、横向性能良好的空气弹簧来支撑车体。

(2)构架结构轻量化。采用焊接构架可比铸钢结构减重50%左右。

(3)轮对轻量化。采用空心车轴和小直径车轮;采用S型腹饭车轮;采用双排圆锥滚子轴承。

(4)轴箱和齿轮箱采用铝合金制作。铝合金轴箱的重量只有原来的40%左右:齿轮箱亦减到原来的56%。

(5)动力车转向架采用交流电机，重量可减轻至300kg以下，而原来提供相同功率的直流电机重量达800多公斤。

(6)轴向定位装置采用转臂式拉杆。传统机车车辆多采用双拉杆形式，高速列车多采用转臂式单拉杆结构。

4结语

为了能够适应中国的高速铁路运营环境和条件,满足更为复杂多样、长距离、长时间、连续高速运行等需求，打造适合中国国情、路情的高速动车组的设计、制造平台，实现高速动车组技术全面的自主化，从2012年开始，在中国铁路总公司的主导之下，集合国内有关企业、高校、科研单位等优势力量，开展了中国标准化动车组的研制工作，对车体的设计变量等内容进行多方向的研究分析，提高各性能的灵敏度，和设计人员的设计的方向，也为标准动车的优化做好了充分的准备工作。

参考文献

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[4]韩旭，朱平，余海东等.基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究[].汽车工程，2007,29(7):545-549.