160km/h城际市域电动车组铝合金车体结构设计

郎艳

【摘 要】本文介绍了160km/h城际（市域）电动车组铝合金车体的材料以及车体主要部件的结构特点，通过有限元分析以及静强度试验验证了车体结构的合理性。

【关键词】车体；铝合金；结构；材料；有限元；试验

0 前言

160km/h城际（市域）电动车组运行速度介于地铁和城际动车组之间，主要连接城郊（如城市外环、卫星城、城市远郊）、相邻的城市或地区（如旅游景点、机场等）是我国城镇化加速发展中解决交通拥堵问题的重要交通工具。

大连机车自主知识产权、自主研发的160km/h城际（市域）电动车组是瞄准后续市场所需提前做的技术储备项目。160km/h城际（市域）电动车组为A型鼓型铝合金车体，采用大断面铝合金挤压型材焊接整体承载结构，由底架、侧墙、端墙、顶棚及司机室等整体模块组成，能够承受垂向、纵向、横向、扭转等载荷。司机室端部结构设计采用吸能结构，碰撞满足EN15227标准要求。

1 车辆基本技术参数

1.1 列车编组

城际（市域）电动车组一般建议六辆列车编组，列车编组型式、编组列车是否需要两列或多列重联运营等可以由买方根据实际运营情况确定，例如也可以定义为八辆编组的型式。

160公里/小时城际（市域）电动车组为研发项目，列车采用两动一拖编组方式，分为不同配置的三种车型。三种车型都基于一个车型平台进行研发，通过变更车门、座椅及内部装饰等配置，完成三个车型研发。

160km/h城际（市域）电动车组项目车辆编组形式为：

-Mc1 + Tp + Mc2-

其中，Mc1为带司机室的动车，Tp为带受电弓的拖车，Mc2为带司机室的动车，+为半永久性牵引杆，-为半自动车钩。

1.2 车体主要参数

160km/h城际（市域）电动车组项目车辆车体的主要参数如表1。

2 车体结构材料

铝合金材料以其重量轻、耐腐蚀性高、易于焊接和具有抗拉及屈服强度高等优点成为铁路机车车辆制造业中的理想材料已在业内广泛应用。160km/h城际（市域）电动车组铝合金车体结构材料主要采用6000、7000系列时效硬化型铝合金型材及板材，其中底架（包括枕梁及车钩座）、车顶、侧墙均采用大型断面铝合金型材制造，材质为 EN AW-6005A-T6、 EN AW-7005-T6。端墙、牵引梁及枕梁上下盖板及筋板采用板、梁结构制造，板材材质为EN AW-6082-T6（51）和EN AW-7020-T6（51）。所用型材、棒材及板材材质化学成分满足EN573-3或者GB/T 3190标准，见表2。

3 车体结构主要部件

160公里/小时城际（市域）电动车组为A型铝合金车体，采用大断面铝合金挤压型材焊接整体承载结构，主要由底架、侧墙、顶棚、侧墙及司机室等整体模块主要部件组成（如图1所示）。铝合金车体结构符合标准EN12663-2000《铁路车辆车体的结构要求》类型归属EN12663中的P-II，能够承受垂直、纵向拉伸、纵向压缩、扭转、自重、牵引力、横向力、制动力等动、静载荷，在使用期限30年内不发生永久变形和疲劳损伤，并具有足够的刚度和强度，车体可承受的纵向压缩和拉伸载荷分别不低于1200kN和960kN。

3.1 底架装配

底架装配是由前端吸能区、枕梁装配、牵引梁装配、底架边梁、端梁、铝地板装配等部件组成（如图2所示）。底架是车体结构中重要承载部分，它不仅要承受安装在底架上的所有设备和车内所有设备以及乘客的重量，同时传递车辆的牵引力和制动力并承受运行过程中的弯曲、扭转的各种复杂载荷，因此其结构设计的是否合理直接影响整车的强度以及行车安全问题。两根通长型材的底架边梁贯穿底架两侧与铝地板型材采用搭接方式组焊成形。前端吸能模块、I位端牵引梁模块、II位端牵引梁模块以及枕梁模块分别与边梁和地板型材焊接共同构成底架装配。

1.前端吸能区；2.牵引梁装配；3.枕梁装配；4.底架边梁；5.铝地板装配；6.端梁

3.2 侧墙装配

侧墙结构采用分块模块化结构，结构简单，强度、刚度高，自身质量小，外表美观（如图3所示）。

侧墙装配由分块侧墙模块构成，其中每块分块侧墙模块由五块大断面中空挤压型材和门立柱组成构成侧墙模块。五块侧墙型材之间采用插接接口形式之后进行焊接并在两侧焊接门立柱共同构成侧墙模块。门立柱是型材拉弯结构，与侧墙外轮廓曲线一致，保证侧墙门强度的同时，提高侧墙外观质量，通过在门角处焊接弧形的门角组成降低门立柱与底架以及顶棚焊缝处的应力，避免应力集中。带有窗口的侧墙模块采用机械加工方法来加工实现，为避免窗角处应力集中，此结构均采用圆弧过渡形式。

3.3 顶棚装配

顶棚装配由空调平台、中顶组成、侧顶组成等部件组成。空调平台采用模块化设计，通用在每种车型的顶棚装配中。五块中空挤压型材以插接形式对接后焊接，两端焊接堵板并在满足空调安装的相应的位置焊接空调安装座共同构成空调平台模块。空调平台和中顶组成分别与通长的侧顶型材组焊后构成具有一定强度和刚度的顶棚装配。在顶棚装配设计中充分考虑风道、扶手、客室灯具、顶棚内装等顶部设备的吊装进行顶棚型材断面设计，使得滑槽布置合理，保证强度的同时，减少型材重量，实现轻量化设计的理念。

3.4 端墙装配

端墙装配由端立柱、横梁、加强梁及蒙皮组成（如图4所示）。端立柱、横梁及加强梁均为挤压铝合金型材与板材蒙皮组焊后构成端墙装配。端立柱和横梁的布置必须满足客室端部净通过和贯通道的安装要求。端墙装配分别与底架、侧墙装配、顶棚装配组焊后成为一体，能够满足列车连挂载荷要求，保证车体在各种载荷的作用下具有足够的刚度和强度。

3.5 司机室

司机室由整体玻璃钢外罩和内置铝结构骨架组成（如图5所示），玻璃钢外罩和铝结构骨架之间采用粘接和螺栓把接两种形式固定。组成司机室铝结构骨架的梁子为挤压铝合金型材，梁子加工后拼焊构成整体司机室铝骨架模块。从外观上看司机室车头整体曲面弧度合理、流畅且美观，内部铝结构骨架模块焊接到车体上支撑玻璃钢外罩及司机室车门，具有足够的强度，从而最大限度地保证司乘人员的人身安全。

4 有限元分析

利用有限元分析的方法对160km/h城际（市域）电动车组铝合金车体结构进行强度、刚度、模态验证。

考虑到车体的底架与牵引梁、枕梁的连接方式的特点，在建立车体有限元模型时，采用刚性单元来模拟车体的底架与牵引梁、枕梁的焊接关系；根据车体的受力状况，采用位移主-从关系来模拟车体底架与牵引梁、枕梁的受力关系。根据有限元网格划分软件对车体进行有限元离散，160km/h城际（市域）电动车组车体结构的离散模型中单元总数为2015067个，结点总数为1024446个，在离散模型的基础上利用软件进行车体有限元分析。

各种工况下的静强度计算结果表明，车体结构各个部位的应力均小于该部位材料的许用应力，满足EN-12663-2000标准中关于强度的要求，在垂直静载荷设计载荷条件下，车体中心线上边梁的垂向位移为7.82mm，小于车辆定距的1‰，因此该车刚度满足设计要求。

模态分析结果为车体结构的一阶垂向弯曲振动频率为15.25Hz，一阶扭转振动频率为17.06Hz；整备状态（AW0）车体结构的一阶垂向弯曲振动频率为9.57Hz，一阶扭转振动频率为11.53Hz；超员状态（AW3）车体结构的一阶垂向弯曲振动频率为6.19Hz，一阶扭转振动频率为9.22Hz。

因此，160公里/小时城际（市域）电动车组车体的模态分析满足设计要求，结构布局与材料选择有针对性，设计科学合理。

5 静强度试验

2015年9月，160km/h城际（市域）电动车组铝合金车体铝结构顺利制造完成，之后对车体铝结构进行了静强度试验，试验结果表明车体结构设计满足标准要求，并且与有限元分析结果基本一致。

6 结束语

160km/h城际（市域）电动车组铝合金车体结构设计合理，为该新车型的设计及应用奠定了坚实的基础。城际（市域）电动车组能够涵盖市域快轨交通的速度需求，能够实现轨道交通在不同区域的全覆盖，将会成为城市轨道交通发展的趋势，具有可观的前景。

[责任编辑：王楠]