CRH3A型动车组车体强度优化研究

李林　吴婷

摘 要：本文通过对CRH3A型动车组车体结构及强度分析，给出了轨道车辆车体结构优化的方法。研究发现：轨道车辆车体强度不足时，需要结合车体整体结构优化；对于强度不足之处，可采用加强薄弱点结构的方法进行优化；但是由于受结构等因素限制，采用加强薄弱点的方案未必都能完全改善整体强度；相反，采用减弱其相邻处结构，减少与相邻处的强度差距，避免应力集中，可以有效改善车体整体强度。

关键词：轨道车辆；强度分析；结构优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.241

0 引言

轨道车辆运输运载量大、效率高，是我国主要交通运输方式之一[1-4]。近年来，随着科技的进步，轨道车辆车体设计理念不断更新，轨道车辆车体质量的标准亦不断提高。2013年，铁路总公司在旅客界面、操作界面、运用界面、维护界面、制动系统、监测保护等六个方面提出了动车组简统化的要求。按照该要求，轨道车辆车体系统增设了行包间、BP救援转换装置、司机操控分析系统（EOAS）、受电弓视频监控装置、车厢视频监控系统等。目前，传统城际动车组（如CJ-1型动车）的车体结构已不能满足该“简统化”要求，需要对原有车体结构进行优化。因此，本文以CRH3A型动车组为例，对其车体结构进行优化，提高车体强度，为我国轨道车辆新型车体结构的设计提供指导。

1 CRH3A型动车组车体结构

CRH3A型动车组车体与CJ-I型动车组基本一致，均采用全焊接铝结构，车体采用通长的大型中空铝型材焊接而成的筒状结构，主要由底架、侧墙、车顶、动力学前端结构、端墙等组成。各大部件均由长大型材拼焊而成，焊接接头采用对接和搭接的连接方式。车体强度满足 EN 12663《铁路应用-铁道车辆车体的结构要求》PⅡ级：“固定编组”规定的要求。基于模块化设计原则，车体分为两种基本类型：

（1）端部车体（含动力学前端结构）；（2）中间车体。

CRH3A型动车组优化后与原CJ-1型动车组差异为：（1）根据车辆的统型要求，中间车体长度由24200mm加长至25000mm（端部车体加长至27600mm），高度不变；底架端部结构参照时速350公里标准动车组结构进行了适应性调整。（2）为满足与站台间隙要求，车体断面轮廓在窗腰带下部，型材外轮廓尺寸局部调整，相应大部件调整如下：1）侧墙下部两块型材轮廓局部进行调整；2）底架为满足与侧墙的连接，与侧墙接口位置局部调整。（3）端部车体由于车头及司机室的变化，车体动力学前端加长约950mm。

2 CRH3A型动车组车体结构优化

2.1 端部车体强度分析

CRH3A优化动车组中间车车体结构与原CJ-1型动车车体结构基本类似，其强度相差不大，故主要对端部车体强度进行分析。CRH3A优化动车组端部车体结构较为特殊，车体车身部分由CRH3型车平台衍生而来，司机室车头及空气动力学前端由CRH5型车平台衍生而来，两者的配合可靠性需要通过计算来进一步校核。空气动力学前端结构破坏了车体的筒形结构，且动力学前端的加长，使得非筒形结构与筒形结构的比例加大；为了弥补强度的不足，动力学前端在CRH5型车平台的基础上进行了加强，型材结构均在CRH5型车基础上加厚加强。另外，CRH3A优化动车组端部车辆为具有牵引电机的动车，牵引电机通风机冷却风道需要在车体地板上开通过孔，并去除大部分型材斜拉筋，导致车体开孔处局部强度及刚度减弱；仿真分析计算时，该处应力明显超过了材料的许用应力，见图2和图3。

2.2 车体结构优化

由上仿真分析可知，CRH3A优化动车组端部车体的窗角及门角等位置局部应力超过标准应力许用值，故需要对其局部结构进一步优化。依据GB/T 7928-2003标准，CRH3A优化动车组车体在垂向超员载荷工况作用下，车体底架边梁中部静挠度不应超过17.8mm；根据TB1335-96标准，在垂向超员载荷工况作用下，车体相当弯曲刚度不小于1.8X109 N?m2；根据TB1335-96标准，在扭转载荷工况作用下，车体相当扭转刚度不小于5.5X108 N?m2/rad。根据BS-EN12663-2010标准，车体静强度计算工况共22个，本文仅对优化后车体强度变化较大的几种载荷工况和位移约束描述如表1。

经过初步仿真分析发现，窗角及门角等位置局部应力超过标准应力许用值，适当优化后即可满足标准要求。但动力学前端与牵引电机通风机风道连接的焊缝处，应力值稍大，通过简单优化处理，无法满足要求。经过分析得应力超标的主要原因：通风机风道地板处，由于地板开孔较大，且地板型腔的斜筋去除较多，导致结构较弱，而动力学前端结构较强，在受车体纵向力作用下，两者的连接处应力突变明显。

针对上述问题，首先，采取加强通风机风道地板处结构强度的方法，使其与动力学前端结构强度接近。将通风机风道侧壁加厚，并在地板上通风孔两侧贴加补强板，同时，将动力学前端的牵引梁延长，使其与通风机风道连接。经过多次反复试验，无论如何加强结构，都无法彻底改善通风机风道地板处的薄弱状态。在加强结构的末端应力值都无法满足要求。由于通风机风道处结构所限，单一采取加强薄弱点结构的措施不能解决强度不足的问题。

其次，采用减弱动力学前端结构的方法来优化解决。通过反复试验，为了避免应力突变，设置了结构强度减弱的渐变过程：（1）减短动力学前端的牵引梁来减弱结构强度；（2）将连接板上的连接筋去除，同时在连接板上加工出台阶，使连接板末端约200mm长度厚度减薄，结构再次减弱；（3）基于前两步的基础，在连接板末端中间开方孔，使连接板在外轮廓不变的前提下，有效宽度变小，结构进一步减弱。

通过以上三步，优化后的动力学前端几何模型如图4，虽然动力学前端结构很强，但是已经提前将其逐步减弱，到与通风机风道连接处时，已减弱到与风道结构相匹配的结构强度。应力值基本满足许用要求，仅在接缝交角处稍大，通过增加倒圆角的处理方式，使应力值均在许用安全系数之内，成功的解决了应力集中问题。

对于车体的刚度，由于动力学前端的加长，使的一位端改变了车体的筒形结构，致使车体的扭转刚度不足，通过在车内一位端区域增加内端墙的方式，改善了车体的扭转刚度。

通过仿真分析计算，经优化后动力学前端与风道连接处的强度满足标准要求。典型工况下得应力见下图5（图中孔内应力值较大，属非焊接区域）。

在AW3垂向载荷工况作用下，车体及底架边梁垂向位移云图见图6。车体底架边梁中央位置垂向静挠度值为7.291mm，计算得端部车体相当弯曲刚1.817*109 N?m2。在扭转载荷工况作用下，计算得端部车体相当扭转刚度5.5405*108 N?m2/rad，满足评定标准。

3 结论

CRH3A优化动车组真实车体静强度试验，已由第三方试验检验完毕，结果满足车体强度标准要求，且实测结果与仿真分析计算结果相近。

综上可知，车体强度不足时，需要结合车体整体结构优化。对于强度不足之处，通常采用的优化方法是加强薄弱点结构；但是由于受结构等因素限制，采用加强薄弱点的方案未必都能完全改善整体强度；相反，采用减弱其相邻处结构，减少与相邻处的强度差距，避免应力集中，可以有效改善薄弱点的强度指数。进而优化了车体的整体强度。

參考文献：

[1]郭春丽等.CRH3A型动车组中间车体结构强度分析[J].现代设计与先进制造技术.2010，39（13）：47-50.

[2]周伟旭等.城际动车组铝合金车体结构设计与性能[J].大连交通大学学报.2015，36（03）：25-29.

[3]胡坤镜等.机车车体强度仿真分析模板开发与应用[J].电力机车与城轨车辆.2014，37（06）：60-63.