250 km/h动车组头车底架有限元分析与优化设计

何晓蕾　刘晨辉　宋巍　宋明阳　霍鑫龙

摘要：底架作为动车组车体关键承载部件，其结构设计的刚度及强度对整车的安全使用及性能有很大影响。采用ANSYS有限元方法，在整车分析的基础上，对250 km/h动车组底架的结构进行强度分析研究。对底架主要的典型载荷下应力集中部位（牵引梁等）进行局部应力分析并优化，对250 km/h动车组头车车体结构进行了静强度试验。在各工况和载荷作用下，各应力测点的应力及合成应力和位移测点的位移值均小于所用材料的弹性极限，底架结构设计合理。

关键词：动车组;底架;有限元分析;强度;结构设计

中图分类号：TG457.2文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）04-0031-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.06

0 前言

随着列车新车型的研制及速度的提高，车体虽为整体式承载，但底架在车体承载结构中始终起着主导作用，车体底架仍是整个车体的承载基础。250 km/h动车组底架设计为通长铝合金中空型材焊接结构，采用无中梁形式的边梁承载，车下设备采用底架边梁吊挂方式，便于整体吊装设备。底架不仅承受整个车体、车内及车下设备的质量，同时还承担着将车体传来的牵引及制动力传递给车钩，并承受车体运行中的各种复杂的动应力，因此底架需具备足够的强度和刚度。因而底架设计成为整个车体设计中的重点。

1 车体概述

车体作为列车的组成主体，既是乘坐载体，又是安装和连接其他系统组成部分的基础。车体由底架、车顶、侧墙、司机室头部结构、端墙以及焊接附件等组成。车体设计采用轻量化设计理念，以底架为主、其他部件共同参与的薄壁筒型整体式承载结构。主要采用通长大型中空铝合金挤压型材组焊而成[3]，较好地考虑了强度和刚度的关系。

2 底架主要参数及结构设计

技术规范上要求，在车钩安装面承载能力为：纵向拉伸载荷1 000 kN，纵向压缩载荷1 500 kN。因此，在设计车体底架时，将头车端部结构、中间车端部结构、双层中空地板，与底架边梁组焊成整体承载式结构，边梁及地板由长大铝合金型材纵向焊缝整体拼接而成;地板型材纵向贯通，边梁承担主要纵向和垂向载荷，有效地改善了底架的受力状况，降低了牵引梁与地板连接处的应力水平。在截面变化较大部位采取了局部结构处理，减少了应力集中导致开裂的现象。

整个底架关于纵向中心线对称，主要由地板、边梁和端部缓冲梁组成。底架边梁与地板采用搭接或插接方式，通过调整搭接量，能够有效保证整个底架的宽度。底架为空调风道、转向架及其他车下设备预留设计空间;车下设备安装为模块化设计，采用边梁吊装的特殊螺栓懸挂方式。

2.1 主要结构参数

头车底架主要结构参数为：轨距1 435 mm，底架总宽度3 300 mm，头车底架长度23 151.5 mm，二位端车钩高度935 mm，一位端车钩高度1 000 mm，底架上面距轨面高1 180 mm，纵向压缩载荷1 500 kN，纵向拉伸载荷1 000 kN。

2.2 底架主要部件结构设计

底架设计采用Creo软件进行三维模块化建模设计，底架总图如图1所示。

2.2.1 底架边梁设计

底架的纵向载荷和垂向载荷通过端部结构传递到底架边梁，因此边梁的强度和刚度要求很高。边梁截面设计为箱形结构，内部合理布置了连接筋，既提高了垂向刚度，又能满足车下设备的吊挂功能。通过底架边梁来悬挂较重的设备及本身容易产生强烈振动的悬挂部件，可以避免地板型材刚度不足易发生振颤、传递振动噪声和产生疲劳等问题。在优化底架承载结构的同时，也减轻了地板型材的质量，提高了乘坐的舒适性。

同时底架边梁的设计还综合了侧墙及门角柱的连接接口，考虑了地板以及侧门的安装等。在与车门配合的位置预留一个密封台，保证了电动外塞拉门车门的密封性。由于底架边梁在门角区域应力较高，设计时将底架边梁型材外侧高出地板适当高度，使门角整体加工成型，避免边梁与侧墙在此位置焊接，改在低应力区域进行焊接。采用搭接或插接形式设计边梁与地板的连接，避免了因焊接变形引起的收缩问题。

2.2.2 地板结构

地板是由6块自带C型槽的双层中空挤压铝型材拼焊而成，保证了地板的刚度和气密强度。组焊后的地板上部与下部各为一平面，与底架边梁、中间车端部结构、头车前端结构组焊成为底架整体。长地板中空型材结构可用于布置电气走线。车内外各种附件如制动管路、电气线槽或支撑架均挂靠在型材自带C型槽内，使安装时方便快捷。

采用机械手焊接通长地板。整体机加工组焊好的地板，各种附件镶嵌在地板中，起到车上车下的连接作用，在地板开孔且设有加强筋，用于保证其强度;附件采用段焊加抹密封胶或直接采用结构胶，既保证了结构强度，又能够密封，且防止了焊接变形[2]。地板通过地板型材的连接平台与边梁上面及伸出的筋板搭接角焊，既保证了强度，又实现了车体宽度的调整，如图2所示。

2.2.3 头车前端结构设计

头车底架一位端部结构为被动防护设计，其耐撞击吸能结构是该车体结构的特色技术之一，前端预留了防撞吸能结构接口，用户需要时可加装吸能部件。上部安装司机室外罩的同时，底部满足车钩的安装。底架端部结构承受了列车连挂或制动时由车钩传递的巨大纵向载荷，并承受很大的弯矩。前端在司机室端部向车体中心线内侧收拢7°，满足了车头外形及曲线限界的需要。因此，前端结构也需要顺势内收，如何实现其力的合理传递成为前端设计的重点。

由于牵引梁安装在端侧墙上，列车牵引制动的巨大的纵向载荷通过车钩从端侧墙传递到后面的边梁上[4]。通过对其连接边梁的复杂载荷进行仿真分析和试验验证，以及优化设计连接区域，确定用连接板连接端侧墙、L梁与边梁;经过多方案比选计算，选择10 mm厚连接板进行过渡连接。防撞单元安装座的焊缝密集，焊后变形大且不易控制，经过工艺焊接试件验证，通过将头车前端与地板边梁连接区域焊后局部加工后，再进行边梁与地板的组装配合，焊接变形得到了很大的改善。

2.2.4 中间车前端结构设计

中间车前端是安装车钩及缓冲器的重要零部件，由端部缓冲梁、牵引梁、底板、支撑梁等组成，如图4所示。前端直接传递车体的纵向牵引力及纵向冲击载荷。在牵引梁尾部进行削形处理，4根牵引梁分别焊在底架下的加强筋处，有效地将牵引力和缓冲力传递到地板及边梁上，满足端部力的传递要求。前端下部結构为车钩箱，用于安装中间车钩及缓冲器。其结构简单、工艺性好，有良好的耐冲击性能，能承受车体压缩及拉伸最大工况的载荷。因此底架端部材料大部分选择冲击性能较好的6082-T6的铝合金型材，只有前端墙和盖板为6005A-T6。

2.2.5 顶车位的设计

动车组底架上设置8个顶车位，每端布置4个顶车点，分别在转向架枕梁的两侧，相对于转向架呈对称分布，便于救援和维修时顶车作业。分别通过螺栓将顶车垫板固结到8个顶车点，顶车位垫板下部采用波纹面，增加了抗磨耗能力，如图5所示。

3 底架材料选择

底架在车体运行中承受较大的动载荷，因此选材时不仅要求其具有良好的焊接性能，还应有较高的抗拉强度和屈服强度，同时也有一定的冷弯性能及韧性。

在底架选择材料时，综合考虑其机械性能、可焊性及工艺性，主要选择了材质为铝合金6005A、6082、5083三种，底架通长型材是铝合金6005A-T6，底架端部型材大部分是合金6082-T6，板材为5083。底架结构用合金化学成为比较如表1所示。

4 底架强度与刚度计算

由于车体结构是一个复杂的箱形整体承载结构，底架、司机室、侧墙、车顶等主要承载部件焊接成一体，很难确定相互之间力的约束，因此在进行强度计算分析时，一般不单独对底架进行计算，而是对整个车体考核仿真计算。文中仅分析与底架相关的计算结果。

4.1 材料属性

材料的物理属性如表2所示，车体材料的力学性能如表3所示。

4.2 车体有限元模型的建立

建立动车组MC车车体有限元模型时，以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅。车体有限元模型中单元总数1 106 230，结点总数870 394，车体的有限元模型如图6所示。

4.3 与底架相关的计算载荷工况及边界条件

车底架结构按照UIC566[2]与EN12663标准[1]设计并能承受以下纵向载荷：车钩位置，拉压载荷分别为1 000 kN和1 500 kN，该车归为P-Ⅱ，各载荷工况和位移约束描述如表4以及图7所示，所有工况均满足设计标准的要求。

4.4 静强度分析结果

文中只列出与底架相关的几个极限载荷工况：

（1）在AW3状态下，车钩处纵向压缩载荷为1 500 kN，门角处出现最大应力为73.548 MPa，小于母材许用应力115 MPa。客室下门角局部应力云图如图8所示。

（2）在AW3状态下，初始设计中间車端部结构在车钩处纵向拉伸载荷1 000 kN，底架结构中应力最大位置发生在端部缓冲梁与牵引梁的焊缝末端，最大应力为111.9 MPa，接近许用应力115 MPa（此处按焊缝考核）。牵引梁末端应力云图如图9所示。

此结构中端部缓冲梁较窄，导致底架端部的结构强度和刚度不够好，因此对其结构进行了优化设计，由开口单边型材改为闭口型材，增加了底架端部的结构强度和刚度。优化后端部缓冲梁与牵引梁的焊缝末端最大应力为94.389 MPa，如图10所示，远远小于标准要求。

4.5 刚度分析结果

最大垂向载荷下，车体最大垂向位移13.94 mm，发生在车体地板中心位置，底架边梁型材最大垂向位移为7.49 mm，如图9所示。

5 静强度试验

5.1 试验概述

为了验证车体强度和刚度是否满足相关标准的要求，一般不单独对底架进行试验，而是对整车进行静强度试验。根据《铁路应用-轨道车辆车体结构要求：机车和客车》的有关要求，对250 km/h动车组头车车体结构进行了静强度试验，通过对比试验结果与计算结果，验证了仿真计算的正确性。

共进行了16个工况的试验，车体静强度试验如图12所示。

5.2 试验结果

根据计算结果和以往项目的经验布置测试点，着重考虑应力较大位置以及焊缝区域应力情况[3]。结果表明，所有测点的应力值均低于许用应力值，应力高点E34（见图13）应力值为104.5 MPa，远低于许用应力值，车体变形量均满足设计要求。在各工况及载荷作用下，各应力测点的应力及合成应力和位移测点的位移值均小于所用材料的弹性极限。

试验结果表明，该动车组车体结构强度满足EN12663-1：2014《铁路应用-轨道车辆车体结构要求》的要求[1]。由此可见，底架结构的设计是合理的。

6 结论

近年来，底架作为动车组车体的关键承载部件，其整体及局部结构设计合理性及纵向承载能力直接影响到动车组的安全运行，越来越受到关注。因此，底架结构设计合理性及其优化，特别是疲劳强度分析计算，为实现车体轻量化设计提供了技术保障。此外，在底架结构的选材以及计算分析手段上进行深入研究也值得重视。

随着铁路向绿色环保、节能节耗发展，对车体的轻量化设计提出了更高的要求，因此底架的结构设计需提到一个更高的水平，既能满足总体结构性能要求，又能实现减轻质量、降低成本，新材料成为工程应用研究和发展的新方向。

参考文献：

[1] EN 12663-1-2014，铁道应用-铁道车辆车体的结构要求第1部分：机车和客运车辆[S].

[2] EN 15085—2007，Railway applications-Welding of railway vehicles And components[S].

[3] 何晓蕾，张庆刚，陈树娟，等. 基于有限元分析的城际动车组车体的结构设计[J]. 电焊机，2014，44（10）：135-140.

[4] 刘健，蒋忠城. 城轨车辆铝合金车体端部结构设计[J]. 电力机车与城轨车辆，2011（4）：35-37.

[5] 金希红. 电力机车车体底架结构设计[J]. 电力机车与城轨车辆，2004（2）：34-36，38.

[6] 胡伟，葛振杰.  HX_D1B型机车车体底架设计[J]. 电力机车与城轨车辆，2010（1）：26-28.