轨道客车地板轻量化设计与计算

王志涛+李宝泉+赵凤启

摘要：文章介绍了在轨道客车地板结构设计中，采用了模块化结构的浮动地板及弹性封边构造。在保证地板结构的承载能力和减振、降噪功能的前提下，显著减轻了地板重量，简化了地板结构，降低了设计成本。

关键词：轨道客车；地板结构；地板重量

中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0125-03

1 概述

针对城轨客车地板设计结构复杂，重量大安装不便的技术问题，采用了模块化平面结构，在与车体底架上表面的结合部位采用了浮动构造，仅在地板与车体侧墙的连接处采用了弹性封边固定地板模块，在保证内装地板的承载能力和减振、降噪功能的前提下，大幅度减少了内装地板的重量，简化了结构，方便了内装地板的安装工艺，降低了设计成本和制造成本，取得了较好的效果。

2 轻型地板的结构优化与材料选用

2.1 地板的设计改进方案

图1 地板结构横向节点及侧向节点

地板采用铝蜂窝复合板材，上面2mm厚的铝板中间是铝蜂窝材料，下层1.5mm厚的铝板，周边用铝板折弯封边处理，代替原来的铝型材边，降低地板的重量。为提高地板的减振性能，在地板设计中采用粘接方形橡胶支承块的结构，在铝蜂窝地板下面按300×300的间隔阵列粘接60×60×10mm的橡胶支承块，在支承块之间空挡处粘接10mm厚的三聚氰胺发泡材料用于隔热和吸收车下噪音，地板上面覆阻燃PVC地板布，地板布厚度2.5mm，地板各种非金属材料制作的配件其防火性能符合DIN 5510-2标准要求，TB/T3139环保的相关规定。为模块化浮筑结构，地板块之间直接用螺钉紧固成一体结构，如图1所示。地板模块与车体地板上表面只有一个平面之间的接触，可较好地阻隔车体振动和噪音向客室内的传播。取消车体底架上面的C型槽结构，简化车体地板和内装地板的构造，简化内装地板安装工艺。在内装地板与车体侧墙处采用弹性元件联接，控制地板的定位并具有防水功能。地板结构见图1所示。

对比原型地板，本车的地板结构取消车体上表面的C型槽结构、侧墙处的铝型材封边、安装支座、弹性元件和铝型材横梁等部件。采用了一体模块化结构，并且将地板隔热隔音材料与地板粘接集成为一体结构。地板模块与车体底架上表面只有平面连接关系。在安装地板时只将地板模块放到车体地板表面上，定位后用螺钉紧固横向接缝，在侧墙下边安装由薄型不锈钢板制造的弹性封边就完成了地板的安装工作，具有结构简单、安装方便、减轻重量的

优点。

2.2 新型地板结构的计算与分析

由于在内装地板的设计中进行了轻量化结构改进。为保证内装地板在工作寿命周期内可靠工作、验证地板的承载能力和减振降噪能力，分别对新型地板结构按最大工况进行了强度刚度和减振降噪的模拟计算分析。

2.2.1 地板强度、刚度计算分析：模拟工况：地板主要承受乘客的垂直向下的正压力，按最大超员的工况：

9人/m2，按70kg/人，每个人按两块50×100mm2的小方形面积计算。总体上是小面积均布的阵列排布受力方式，根据受力面积及力的大小不同，共计算4种工况，分别是：

（1）每小块按50×120/350N，每平方米18个受力块均布；（2）每小块按50×50/350N，每平方米18个受力块均布；（3）每小块按10×40/350N，每平方米18个受力块均布；（4）每小块按50×50/700N，每平方米9个受力块

均布。

约束条件：约束主要施加在橡胶减振座上，约束X、Y、Z三方向上的自由度。

强度计算结果：

（1）内装地板位移最大值发生在工况4作用下，为0.68mm。

（2）上下层铝板的最大应力为40.1MPa，根据标准知，铝板屈服极限为125MPa，因此，铝蜂窝地板板的强度符合要求，其刚度能满足使用要求。

2.2.2 减振降噪计算分析：

（1）结构模型。新型内装地板安装结构采用18mm铝蜂窝板复合材料，在地板下表面均布粘接60×60×9mm3的橡胶减振垫，用于支承地板，传递垂向力并起到减少振动的作用。橡胶减振垫间距约280左右，地板上表面粘2mm厚的PVC地板布。地板下表面橡胶减振垫间隔之间粘接的是三聚氰胺发泡材料，表面贴铝箔。

（2）有限元模型：为了便于计算，对铝蜂窝地板采用等效方法（按照Gibson简化理论），将铝蜂窝简化为正交各向异性板（在有限元计算中可以采用实体单元建模，但是在VA One软件中采用SEA统计能量法计算时，同样简化为一层面网格），这样的简化过程中，六边形铝蜂窝折合材料参数如表1所示。

（3）振动响应计算：振动响应计算的内容是将Ansys模态计算求解完毕的模态结果导入到Virtual.Lab软件中去，在相应位置加载振动激励源载荷，计算整个内装地板结构的振动响应见图2所示。

（4）隔声计算：根据磁悬浮车内装地板的结构特性，地板结构为包含PVC地板布、铝板、铝蜂窝、不锈钢板、橡胶垫、吸音材、铝箔等等在内的复杂多层结构。将前面创建的有限元模型导入到VA One软件中去，通过创建Face、创建材料、创建NCT等步骤，计算整体的MNCT效果，结果如图3：

通过计算结果可以看出，地板部位的总体A计权隔声量位9.85dBA。考虑到SEA方法计算主要在高频段有较好的结果，其在315Hz以上的A计权隔声量为10.5dBA；在1000Hz以上的A计权隔声量为16.7dBA左右。同时从计算结果可以看出，本新型地板结构在630Hz左右有一个隔声的低谷，1000Hz以上较高频段的隔声效果要远远好于低频段，这跟一般的多层隔声材料的隔声特性也是基本吻合的。

（5）地板减重效果分析：经过三D设计，自动生成地板总成（含防寒材）的重量为：510kg，平均每延米平均重量为：510/14.6m=34.9kg/m。

对比原型地铁类似地板结构的重量（加上地板防寒材的重量），每延米平均重量为：

（914+48.6）kg/19m=50.6kg/m。

（50.6-34.9）/50.6×100=31%。地板减重达31%。效果明显。

图2 内装地板结构模态振型与地板振动响应

图3 新型地板结构隔声性能曲线

3 结语

经前述的优化设计工作之后，新型地板结构的设计重量在确保其产品性能和减振、降噪功能的前提下，有了大幅度的减少，并增加了其强度和刚度以及吸音降噪的功能，同时还减化了地板制造安装的工艺过程。降低了设计和制造成本。达到了使车体轻量化的设计目标，节省了轨道客车在运行时的能量消耗，增加了有效载荷，对城轨客车设计有一定的参考价值。

参考文献

[1] 铁道机车车辆的预防性防火（第2部分）：材料和结

构部件的防火性能和燃烧并发现象、分类、要求及试

验方法（DIN 5510-2：2009）[S].

[2] 赵有明.国外轻轨车辆译文集[C].铁科院，2006.

[3] 沈宝红.城市轨道交通噪声与震动控制对策[J].环境

科学与管理，2005.

作者简介：王志涛，男，唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心高级工程师，研究方向：轨道车辆研发设计。endprint

摘要：文章介绍了在轨道客车地板结构设计中，采用了模块化结构的浮动地板及弹性封边构造。在保证地板结构的承载能力和减振、降噪功能的前提下，显著减轻了地板重量，简化了地板结构，降低了设计成本。

关键词：轨道客车；地板结构；地板重量

中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0125-03

1 概述

针对城轨客车地板设计结构复杂，重量大安装不便的技术问题，采用了模块化平面结构，在与车体底架上表面的结合部位采用了浮动构造，仅在地板与车体侧墙的连接处采用了弹性封边固定地板模块，在保证内装地板的承载能力和减振、降噪功能的前提下，大幅度减少了内装地板的重量，简化了结构，方便了内装地板的安装工艺，降低了设计成本和制造成本，取得了较好的效果。

2 轻型地板的结构优化与材料选用

2.1 地板的设计改进方案

图1 地板结构横向节点及侧向节点

地板采用铝蜂窝复合板材，上面2mm厚的铝板中间是铝蜂窝材料，下层1.5mm厚的铝板，周边用铝板折弯封边处理，代替原来的铝型材边，降低地板的重量。为提高地板的减振性能，在地板设计中采用粘接方形橡胶支承块的结构，在铝蜂窝地板下面按300×300的间隔阵列粘接60×60×10mm的橡胶支承块，在支承块之间空挡处粘接10mm厚的三聚氰胺发泡材料用于隔热和吸收车下噪音，地板上面覆阻燃PVC地板布，地板布厚度2.5mm，地板各种非金属材料制作的配件其防火性能符合DIN 5510-2标准要求，TB/T3139环保的相关规定。为模块化浮筑结构，地板块之间直接用螺钉紧固成一体结构，如图1所示。地板模块与车体地板上表面只有一个平面之间的接触，可较好地阻隔车体振动和噪音向客室内的传播。取消车体底架上面的C型槽结构，简化车体地板和内装地板的构造，简化内装地板安装工艺。在内装地板与车体侧墙处采用弹性元件联接，控制地板的定位并具有防水功能。地板结构见图1所示。

对比原型地板，本车的地板结构取消车体上表面的C型槽结构、侧墙处的铝型材封边、安装支座、弹性元件和铝型材横梁等部件。采用了一体模块化结构，并且将地板隔热隔音材料与地板粘接集成为一体结构。地板模块与车体底架上表面只有平面连接关系。在安装地板时只将地板模块放到车体地板表面上，定位后用螺钉紧固横向接缝，在侧墙下边安装由薄型不锈钢板制造的弹性封边就完成了地板的安装工作，具有结构简单、安装方便、减轻重量的

优点。

2.2 新型地板结构的计算与分析

由于在内装地板的设计中进行了轻量化结构改进。为保证内装地板在工作寿命周期内可靠工作、验证地板的承载能力和减振降噪能力，分别对新型地板结构按最大工况进行了强度刚度和减振降噪的模拟计算分析。

2.2.1 地板强度、刚度计算分析：模拟工况：地板主要承受乘客的垂直向下的正压力，按最大超员的工况：

9人/m2，按70kg/人，每个人按两块50×100mm2的小方形面积计算。总体上是小面积均布的阵列排布受力方式，根据受力面积及力的大小不同，共计算4种工况，分别是：

（1）每小块按50×120/350N，每平方米18个受力块均布；（2）每小块按50×50/350N，每平方米18个受力块均布；（3）每小块按10×40/350N，每平方米18个受力块均布；（4）每小块按50×50/700N，每平方米9个受力块

均布。

约束条件：约束主要施加在橡胶减振座上，约束X、Y、Z三方向上的自由度。

强度计算结果：

（1）内装地板位移最大值发生在工况4作用下，为0.68mm。

（2）上下层铝板的最大应力为40.1MPa，根据标准知，铝板屈服极限为125MPa，因此，铝蜂窝地板板的强度符合要求，其刚度能满足使用要求。

2.2.2 减振降噪计算分析：

（1）结构模型。新型内装地板安装结构采用18mm铝蜂窝板复合材料，在地板下表面均布粘接60×60×9mm3的橡胶减振垫，用于支承地板，传递垂向力并起到减少振动的作用。橡胶减振垫间距约280左右，地板上表面粘2mm厚的PVC地板布。地板下表面橡胶减振垫间隔之间粘接的是三聚氰胺发泡材料，表面贴铝箔。

（2）有限元模型：为了便于计算，对铝蜂窝地板采用等效方法（按照Gibson简化理论），将铝蜂窝简化为正交各向异性板（在有限元计算中可以采用实体单元建模，但是在VA One软件中采用SEA统计能量法计算时，同样简化为一层面网格），这样的简化过程中，六边形铝蜂窝折合材料参数如表1所示。

（3）振动响应计算：振动响应计算的内容是将Ansys模态计算求解完毕的模态结果导入到Virtual.Lab软件中去，在相应位置加载振动激励源载荷，计算整个内装地板结构的振动响应见图2所示。

（4）隔声计算：根据磁悬浮车内装地板的结构特性，地板结构为包含PVC地板布、铝板、铝蜂窝、不锈钢板、橡胶垫、吸音材、铝箔等等在内的复杂多层结构。将前面创建的有限元模型导入到VA One软件中去，通过创建Face、创建材料、创建NCT等步骤，计算整体的MNCT效果，结果如图3：

通过计算结果可以看出，地板部位的总体A计权隔声量位9.85dBA。考虑到SEA方法计算主要在高频段有较好的结果，其在315Hz以上的A计权隔声量为10.5dBA；在1000Hz以上的A计权隔声量为16.7dBA左右。同时从计算结果可以看出，本新型地板结构在630Hz左右有一个隔声的低谷，1000Hz以上较高频段的隔声效果要远远好于低频段，这跟一般的多层隔声材料的隔声特性也是基本吻合的。

（5）地板减重效果分析：经过三D设计，自动生成地板总成（含防寒材）的重量为：510kg，平均每延米平均重量为：510/14.6m=34.9kg/m。

对比原型地铁类似地板结构的重量（加上地板防寒材的重量），每延米平均重量为：

（914+48.6）kg/19m=50.6kg/m。

（50.6-34.9）/50.6×100=31%。地板减重达31%。效果明显。

图2 内装地板结构模态振型与地板振动响应

图3 新型地板结构隔声性能曲线

3 结语

经前述的优化设计工作之后，新型地板结构的设计重量在确保其产品性能和减振、降噪功能的前提下，有了大幅度的减少，并增加了其强度和刚度以及吸音降噪的功能，同时还减化了地板制造安装的工艺过程。降低了设计和制造成本。达到了使车体轻量化的设计目标，节省了轨道客车在运行时的能量消耗，增加了有效载荷，对城轨客车设计有一定的参考价值。

参考文献

[1] 铁道机车车辆的预防性防火（第2部分）：材料和结

构部件的防火性能和燃烧并发现象、分类、要求及试

验方法（DIN 5510-2：2009）[S].

[2] 赵有明.国外轻轨车辆译文集[C].铁科院，2006.

[3] 沈宝红.城市轨道交通噪声与震动控制对策[J].环境

科学与管理，2005.

作者简介：王志涛，男，唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心高级工程师，研究方向：轨道车辆研发设计。endprint

摘要：文章介绍了在轨道客车地板结构设计中，采用了模块化结构的浮动地板及弹性封边构造。在保证地板结构的承载能力和减振、降噪功能的前提下，显著减轻了地板重量，简化了地板结构，降低了设计成本。

关键词：轨道客车；地板结构；地板重量

中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0125-03

1 概述

针对城轨客车地板设计结构复杂，重量大安装不便的技术问题，采用了模块化平面结构，在与车体底架上表面的结合部位采用了浮动构造，仅在地板与车体侧墙的连接处采用了弹性封边固定地板模块，在保证内装地板的承载能力和减振、降噪功能的前提下，大幅度减少了内装地板的重量，简化了结构，方便了内装地板的安装工艺，降低了设计成本和制造成本，取得了较好的效果。

2 轻型地板的结构优化与材料选用

2.1 地板的设计改进方案

图1 地板结构横向节点及侧向节点

地板采用铝蜂窝复合板材，上面2mm厚的铝板中间是铝蜂窝材料，下层1.5mm厚的铝板，周边用铝板折弯封边处理，代替原来的铝型材边，降低地板的重量。为提高地板的减振性能，在地板设计中采用粘接方形橡胶支承块的结构，在铝蜂窝地板下面按300×300的间隔阵列粘接60×60×10mm的橡胶支承块，在支承块之间空挡处粘接10mm厚的三聚氰胺发泡材料用于隔热和吸收车下噪音，地板上面覆阻燃PVC地板布，地板布厚度2.5mm，地板各种非金属材料制作的配件其防火性能符合DIN 5510-2标准要求，TB/T3139环保的相关规定。为模块化浮筑结构，地板块之间直接用螺钉紧固成一体结构，如图1所示。地板模块与车体地板上表面只有一个平面之间的接触，可较好地阻隔车体振动和噪音向客室内的传播。取消车体底架上面的C型槽结构，简化车体地板和内装地板的构造，简化内装地板安装工艺。在内装地板与车体侧墙处采用弹性元件联接，控制地板的定位并具有防水功能。地板结构见图1所示。

对比原型地板，本车的地板结构取消车体上表面的C型槽结构、侧墙处的铝型材封边、安装支座、弹性元件和铝型材横梁等部件。采用了一体模块化结构，并且将地板隔热隔音材料与地板粘接集成为一体结构。地板模块与车体底架上表面只有平面连接关系。在安装地板时只将地板模块放到车体地板表面上，定位后用螺钉紧固横向接缝，在侧墙下边安装由薄型不锈钢板制造的弹性封边就完成了地板的安装工作，具有结构简单、安装方便、减轻重量的

优点。

2.2 新型地板结构的计算与分析

由于在内装地板的设计中进行了轻量化结构改进。为保证内装地板在工作寿命周期内可靠工作、验证地板的承载能力和减振降噪能力，分别对新型地板结构按最大工况进行了强度刚度和减振降噪的模拟计算分析。

2.2.1 地板强度、刚度计算分析：模拟工况：地板主要承受乘客的垂直向下的正压力，按最大超员的工况：

9人/m2，按70kg/人，每个人按两块50×100mm2的小方形面积计算。总体上是小面积均布的阵列排布受力方式，根据受力面积及力的大小不同，共计算4种工况，分别是：

（1）每小块按50×120/350N，每平方米18个受力块均布；（2）每小块按50×50/350N，每平方米18个受力块均布；（3）每小块按10×40/350N，每平方米18个受力块均布；（4）每小块按50×50/700N，每平方米9个受力块

均布。

约束条件：约束主要施加在橡胶减振座上，约束X、Y、Z三方向上的自由度。

强度计算结果：

（1）内装地板位移最大值发生在工况4作用下，为0.68mm。

（2）上下层铝板的最大应力为40.1MPa，根据标准知，铝板屈服极限为125MPa，因此，铝蜂窝地板板的强度符合要求，其刚度能满足使用要求。

2.2.2 减振降噪计算分析：

（1）结构模型。新型内装地板安装结构采用18mm铝蜂窝板复合材料，在地板下表面均布粘接60×60×9mm3的橡胶减振垫，用于支承地板，传递垂向力并起到减少振动的作用。橡胶减振垫间距约280左右，地板上表面粘2mm厚的PVC地板布。地板下表面橡胶减振垫间隔之间粘接的是三聚氰胺发泡材料，表面贴铝箔。

（2）有限元模型：为了便于计算，对铝蜂窝地板采用等效方法（按照Gibson简化理论），将铝蜂窝简化为正交各向异性板（在有限元计算中可以采用实体单元建模，但是在VA One软件中采用SEA统计能量法计算时，同样简化为一层面网格），这样的简化过程中，六边形铝蜂窝折合材料参数如表1所示。

（3）振动响应计算：振动响应计算的内容是将Ansys模态计算求解完毕的模态结果导入到Virtual.Lab软件中去，在相应位置加载振动激励源载荷，计算整个内装地板结构的振动响应见图2所示。

（4）隔声计算：根据磁悬浮车内装地板的结构特性，地板结构为包含PVC地板布、铝板、铝蜂窝、不锈钢板、橡胶垫、吸音材、铝箔等等在内的复杂多层结构。将前面创建的有限元模型导入到VA One软件中去，通过创建Face、创建材料、创建NCT等步骤，计算整体的MNCT效果，结果如图3：

通过计算结果可以看出，地板部位的总体A计权隔声量位9.85dBA。考虑到SEA方法计算主要在高频段有较好的结果，其在315Hz以上的A计权隔声量为10.5dBA；在1000Hz以上的A计权隔声量为16.7dBA左右。同时从计算结果可以看出，本新型地板结构在630Hz左右有一个隔声的低谷，1000Hz以上较高频段的隔声效果要远远好于低频段，这跟一般的多层隔声材料的隔声特性也是基本吻合的。

（5）地板减重效果分析：经过三D设计，自动生成地板总成（含防寒材）的重量为：510kg，平均每延米平均重量为：510/14.6m=34.9kg/m。

对比原型地铁类似地板结构的重量（加上地板防寒材的重量），每延米平均重量为：

（914+48.6）kg/19m=50.6kg/m。

（50.6-34.9）/50.6×100=31%。地板减重达31%。效果明显。

图2 内装地板结构模态振型与地板振动响应

图3 新型地板结构隔声性能曲线

3 结语

经前述的优化设计工作之后，新型地板结构的设计重量在确保其产品性能和减振、降噪功能的前提下，有了大幅度的减少，并增加了其强度和刚度以及吸音降噪的功能，同时还减化了地板制造安装的工艺过程。降低了设计和制造成本。达到了使车体轻量化的设计目标，节省了轨道客车在运行时的能量消耗，增加了有效载荷，对城轨客车设计有一定的参考价值。

参考文献

[1] 铁道机车车辆的预防性防火（第2部分）：材料和结

构部件的防火性能和燃烧并发现象、分类、要求及试

验方法（DIN 5510-2：2009）[S].

[2] 赵有明.国外轻轨车辆译文集[C].铁科院，2006.

[3] 沈宝红.城市轨道交通噪声与震动控制对策[J].环境

科学与管理，2005.

作者简介：王志涛，男，唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心高级工程师，研究方向：轨道车辆研发设计。endprint