城际动车组铝合金车体结构设计与性能

周伟旭,李泽宇,于庆斌,李晓峰

(1.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司 技术中心,吉林 长春 130062; 2.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028)



城际动车组铝合金车体结构设计与性能

周伟旭1,李泽宇1,于庆斌1,李晓峰2

(1.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司 技术中心,吉林 长春 130062; 2.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028)

根据城际动车组的运用特点，以CRH3A型城际动车组车体结构为例，在最大程度上满足车体的高强度及轻量化的要求及标准下，从车体材料的选择、车体断面设计、车体结构设计、计算分析验证及试验对比等方面进行研究，提出了城际动车组车体结构的设计思路和方法.

城际动车组；铝合金；车体结构；轻量化；强度

0 引言

城际动车组主要解决城市群和都市通勤圈中短途出行需求.这种编组固定、自带动力的列车以其方便、快捷、安全、可靠、舒适的特点备受世界各国铁路运输和城市轨道交通运输的青睐.因其满足城际间多点停靠、大启动加速度、大运量、快速乘降的需求，故成为最便利的交通工具[1].城际动车组车体结构作为动车组的主要承载部件，一方面必须具有足够的强度和刚度，在运行过程中不但要把牵引力和制动力传递给车钩，而且要能承受乘客载荷、各种设备载荷以及运行中各个方向冲击载荷的作用，满足相关技术标准的要求，保证列车运行的安全性和平稳性；另一方面要更大程度地实现轻量化.这不但使城际动车组具备大载客能力，而且具有以下意义：降低原材料消耗，降低车辆制造成本；节省牵引动能，降低列车的运行费用；减少车辆对线路的冲击，减轻线路维护工作量；提高车辆的启动加速度及制动减速度；提高列车的运行速度及曲线通过速度等[2].

本文将以CRH3A型城际动车组车体结构为例对城际动车组车体结构的设计思路和方法进行研究.

1 车体材料的选择

目前铁路客车车体结构普遍采用的轻量化材料为不锈钢和铝合金.两者相比，虽然不锈钢车防腐性能更优越，但减重效果较差，且由于它采用点焊工艺而导致气密性差，因而不建议用于250公里速度等级的动车组.铝合金材料不仅比重低，而且结构较为简单.目前的重型卧式挤压机可以挤出大型扁宽薄壁铝型材的技术不仅减少了车体结构中的横向构件，而且能满足车辆高速通过隧道时气压迅速变化对车辆所提出的密封性要求[3].因此，速度等级高、强度等级高、轻量化程度要求高的CRH3A型城际动车组选择铝合金作为车体结构材料.铝合金材料的主要性能指标如表1所示.

2 车体断面设计

2.1 CRH系列动车组车体断面对比分析

CRH2、CRH3型动车组车体断面具有良好的气动外形，内空间较宽敞.CRH5型动车组车体侧墙收角较大，车内空间不够宽敞.CRH3和CRH5型动车组车体断面型材均采用闭口型材，CRH2型动车组车体断面中车顶及侧墙部位采用闭口型材，底架地板采用开口型材.同为闭口型材，CRH3型动车组车体型材设计偏笨重，型材内外蒙皮厚度一般为3mm，内筋厚度一般为2.5 mm，且内筋分布较密集；CRH5型动车组断面型材设计较轻巧，内外蒙皮厚度一般为2.8 mm，内筋厚度一般为2.5 mm，且内筋分布较稀疏.CRH3、CRH5型动车组车体断面如图1所示.

(a)CRH3(b)CRH5

图1 CRH型动车组车体断面形貌

2.2 城际动车组车体断面设计

城际动车组车体断面既要考虑到车辆有较大的载客能力、良好的气动外形、宽敞舒适的车内空间、足够的强度，同时还要尽可能地满足轻量化的要求[4].

最终确定方案如下：断面型材坚持闭口型材；内外蒙皮厚度采用2.8 mm，内筋厚度采用2.5 mm，内筋分布参考CRH5型动车组设计；由于CRH3型动车组的底架边梁强度、刚度好，承载能力强，适应于吊装重量较大的设备，所以城际动车组底架边梁参考CRH3型动车组设计.CRH3A型城际动车组车体断面如图2所示.

图2 城际动车组车体断面

3 车体结构设计

3.1 CRH系列动车组车体结构对比分析

从承载结构来说，CRH3型铝合金车体为整体筒形承载结构，端墙由多种型材组焊而成，结构复杂，工艺复杂.底架前端由型材和部分板材组焊而成.腹板型材或H型材起着牵引梁的作用，其余结构起着砂箱或电气安装箱的作用，结构复杂，不易施工.

CRH5型铝合金车体为整体筒形承载结构，底架端部结构由端梁、4根牵引梁、围板、斜梁等组成，结构简单、重量轻、强度高、施工工艺简单.CRH3、CRH5型动车组端部结构如图3所示.

(a)CRH3(b)CRH5

图3 CRH型动车组底架前端结构图

相比之下， CRH5型动车组的承载结构和车头的工艺性、轻量化程度明显优于CRH3型动车组，并且纵向承载能力高于CRH3型动车组.

3.2 城际动车组车体结构设计

通过对比CRH系列动车组车体结构特点，CRH3A型城际动车组借鉴CRH系列动车组的优点优化设计.

(1)对于端部承载结构：CRH5型动车组车体结构的主断面型材采用材料6005A-T6.对于底架端部缓冲梁结构、空气动力学端部结构等重要承载结构，采用强度等级更高的材料6082-T6，从而提高了结构大应力区的许用应力；CRH3型动车组，车体结构除了主断面型材采用焊接性能较好的材料6005A-T6外，端角柱、底架前端等端部重要承载结构也都采用材料6005A-T6.为了满足强度要求，端部承载部件设计复杂，重量大，制造工艺复杂.

CRH3A型城际动车组车体端部承载结构吸收了CRH5型动车组对材料的选用理念，结构上借鉴CRH5型动车组端部的结构形式进行优化，实现了强度高、结构简单、工艺性好的设计目标.

(2)对于外端墙和各大部件的接口型式，CRH3型动车组采用了过渡连接板结构，组焊工艺性好，有利于消除制造误差，因而在CRH3A型城际动车组车体结构中应用.

(3)对于车体和转向架接口，CRH3、CRH5型动车组转向架联系枕梁通过螺栓与车体底架相连接，中心销、抗蛇行减振器座、高度控制阀等安装在联系枕梁上，可以很好地实现车体和转向架的模块化设计.车体底架边梁作为一个整体型材，减

少了焊接工作量和焊接带来的变形.CRH3A型城际动车组的车体和转向架接口参照CRH3、CRH5型动车组的结构优化设计.

4 仿真及试验分析

基于车体初始方案的分析结果，设计者对车体结构进行了相应结构改进及分析.下面以TP车计算为例进行说明.

4.1 车体静强度

车体静强度工况依据EN 12663执行，计算结果满足强度要求.其中以车钩纵向压缩1 500 kN+AW3最具代表性：最大应力值为242 MPa，许用应力值为260 MPa，应力作用下车体的Von.Mises云图如图4所示.

图4 车体的Von.Mises应力云图

对CRH3A型TP车车体进行了静强度试验，并就实验结果与有限元分析结果进行对比分析.从试验值和计算值来看，各区域应力测点的测试值与计算值的变化趋势基本一致.AW3+车钩纵向压缩力1 500 kN工况测试应力与计算应力对比如表2所示.

表2 测试应力与计算应力结果对比

表2 测试应力与计算应力结果对比(续表)

4.2 车体刚度

车体刚度计算依据标准TB/T 1335-996《铁

图5 垂向超员工况下车体下边梁垂向位移云图

(a)位移测点布置和编号

(b)位移变化曲线

道车辆强度设计与试验鉴定规范》，在AW3工况下，车体中部边梁下翼缘的垂向位移为8.36 mm，如图5所示.车体位移测点的计算值与实测值的对比分析如图6所示.车体边梁中部位移测点的测试值与计算值的相对误差百分比为10%.

4.3 车体疲劳

基于IIW标准对车体焊接结构进行了应力集中分析及疲劳寿命预测[5].表3为车体部件评估点的累积损伤，从表中可以看出在各疲劳载荷作用下，车体部件的最大主应力范围均小于它们的许用应力范围.考虑低应力循环对疲劳损伤的贡献[6]，在疲劳计算工况作用下，车体部件的疲劳累积损伤均小于1，满足车体疲劳寿命的设计要求.

表3 车体部件评估点的累积损伤

5 结论

本文所研究的城际动车组车体结构基本达到了预期目标，但仍有较大的提升空间，比如，重量是否还能降低?对于大批量生产来说，哪些结构还需要进一步提高生产工艺性等.另外，对于不同运用需求的城际动车组来说，车体结构也不尽相同，须根据需求特征和实际情况进行适应性调整.但是，如何恰当地将材料和结构合理匹配，在简化结构的前提下做到最有效地分散应力并实现轻量化是所有城际动车组车体结构应该坚持的原则.

[1]徐行方,忻铁朕,项宝余.城际列车的概念及其开行条件[J].同济大学学报，2003,31(4)：57-61.

[2]陈喜红,辛成瑶.200 km/h高速动力车车体结构轻量化设计和静、动强度计算[J].铁道学报，2000,22(1)：26-31.

[3]刘岩.我国高速铁路客车轻量化车体最优结构研究[J].轻合金加工技术，2000,28(5)：41-43.

[4] 董锡明.现代高速列车技术[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[5] 李晓峰,谢素明,时慧焯.车辆焊接结构疲劳寿命评估方法研究[J].中国铁道科学，2007,28(3)：74-78.

[6]DONG P,PRAGER M,OSAGE D.The design master S-N curve in ASME DIV 2 rewrite and its validations[J].Welding in the world,2007,51(5-6):53-63.

Study of Intercity EMU Carbody Structure

ZHOU Weixu1,LI Zeyu1,YU Qingbin1,LI Xiaofeng2

(1.CNR Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,ChangChun 130062,China; 2.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The carbody structure of intercity EMU with CRH3A is exemplified according to intercity EMU running characterisitcs. Under condition and criterion of meeting the high strength and lightweight carbody,the research focuses on the choice of the carbody materials,design of the carbody profile,design of the carbody structure,the validation of design calculation, the contrast test and design principles,and the methods of the intercity EMU carbody structure are proposed.

intercity EMU；aluminium alloy；carbody structure；lightweight；strength

1673-9590(2015)03-0025-05

2014-12-14

中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2014J004-N)；国家科技支撑计划资助项目(2013BAG21Q01)

周伟旭(1972 -)，女，教授级高工，学士，主要从事铁路客车及动车组的设计研究

E-mail:zhouweixu@cccar.com.cn.

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