动车组铝合金车体强度设计技术研究

毛哲骞

【摘要】铝合金具有密度低、强度高、挤压性能好、焊接性及加工性能优良等特点，已经成为高速列车动车组车体生产的主导材料。本文介绍了动车组铝合金车体结构的设计思路、强度要求以及结构特点。依据EN12663标准要求，利用有限元法对车体强度进行了仿真计算，结果显示车体结构能够满足設计要求。

【关键词】动车组；铝合金车体；结构设计；强度

一、前言

随着高铁技术的不断创新，动车组车体的刚度和强度性能等问题已成为车体设计的重中之重。动车组铝合金车体主要由底架、车顶、侧墙和端墙四大部件组焊而成。本文以动车组铝合金车体车体为研究对象，借助ANSYS仿真软件，计算分析了垂向、拉伸、压缩等多种工况，结果满足车体强度要求。

二、车体结构设计

（一）概述

车体承载结构采用与车体基本等长的大型中空铝合金型材组焊而成，为薄壁筒型整体承载结构，主要由底架、侧墙、车顶、端墙、司机室结构等组成。各大部件均为长大型材拼焊而成。焊接接头采用对接和搭接的连接方式。车体强度满足EN12663标准PⅡ级要求；车体的焊接执行EN15085标准。车体结构的设计寿命不小于30年或1200万公里。

（二）底架设计

底架主要由两大部分组成，底架中部结构和底架端部结构。底架中部结构包括地板和边梁组成，地板与边梁焊接，纵向贯通，以提高车体纵向刚度。底架两端为底架端部结构，集成多个系统部件的接口，以减轻重量。中间车底架组成（俯视）见图1。

（三）车顶设计

车顶由车顶型材、端部过渡连接型材等构成，提供空调机组、新风口及车顶电气部件等设备的安装接口。高顶区域采取了减重设计并采用弧断面，利于车顶排水并有益于车顶纵向刚度的提高。在有受电弓的拖车车顶设置平顶结构。高顶和平顶分别由几块大型中空型材拼焊而成，车顶结构图见图2。

（四）侧墙设计

侧墙由侧墙上部型材、侧墙下部型材、窗口下部型材、窗口上部型材、侧窗型材五块大型中空铝型材拼焊而成，各车侧墙的外部轮廓及型材断面组成均相同。车门两侧焊有门立柱用于补强及安装塞拉门设备。门角、窗角等高应力区设大圆弧过渡，侧墙铝结构见图3。

（五）端墙设计

端墙主要由端墙板、两侧端角柱、弯梁组成，端门上角采用大圆角过渡并设计补强结构，避免应力集中并提高强度。如图4所示。

三、分析计算

（一）车体强度

结合车体结构类型，选取受电弓车（整备重量最大）及头车两种车体进行强度仿真分析。执行标准：EN12663标准中PⅡ等级载荷工况的和气密载荷±4000Pa要求。车体强度分别进行仿真分析，在各个强度工况作用下，应力均小于许用应力，车体静强度满足标准要求。主要的分析工况见表1。

（二）车体疲劳强度

车体疲劳计算工况共计3种，具体见表2，在各疲劳载荷工况作用下，车体焊接部位的最大应力范围均小于各焊缝疲劳许用应力范围，各位置最大疲劳累积损伤值为0.689，均小于1.0，满足疲劳强度要求。

四、结语

动车组车体采用轻质铝合金材质，是基于车体轻量化设计的思路。车体结构除了要具有良好的组装工艺性外，还应具有足够的强度。本文依据EN12663标准和《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》，对车体强度进行了有限元计算分析，并结合静强度试验结果对车体承载特性进行了验证，为系统掌握高速动车组铝合金车体设计技术提供了理论依据。

参考文献

[1]张硕韶，于金朋，张锦华.双层铝合金车体焊接结构设计[J].电焊机，2017（06）.

[2]王为辉.铝合金地铁车体刚度和静强度仿真及有效性分析[J].山东工业技术，2016（02）.

[3]李墨林.基于轻量化与模块化的铝合金车体结构设计[D].大连：大连理工大学，2015.