李林　吳婷

摘 要：本文通過對CRH3A型動車組車體結構及強度分析，給出了軌道車輛車體結構優(yōu)化的方法。研究發(fā)現(xiàn)：軌道車輛車體強度不足時，需要結合車體整體結構優(yōu)化；對于強度不足之處，可采用加強薄弱點結構的方法進行優(yōu)化；但是由于受結構等因素限制，采用加強薄弱點的方案未必都能完全改善整體強度；相反，采用減弱其相鄰處結構，減少與相鄰處的強度差距，避免應力集中，可以有效改善車體整體強度。

關鍵詞：軌道車輛；強度分析；結構優(yōu)化

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

0 引言

軌道車輛運輸運載量大、效率高，是我國主要交通運輸方式之一[1-4]。近年來，隨著科技的進步，軌道車輛車體設計理念不斷更新，軌道車輛車體質量的標準亦不斷提高。2013年，鐵路總公司在旅客界面、操作界面、運用界面、維護界面、制動系統(tǒng)、監(jiān)測保護等六個方面提出了動車組簡統(tǒng)化的要求。按照該要求，軌道車輛車體系統(tǒng)增設了行包間、BP救援轉換裝置、司機操控分析系統(tǒng)（EOAS）、受電弓視頻監(jiān)控裝置、車廂視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。目前，傳統(tǒng)城際動車組（如CJ-1型動車）的車體結構已不能滿足該“簡統(tǒng)化”要求，需要對原有車體結構進行優(yōu)化。因此，本文以CRH3A型動車組為例，對其車體結構進行優(yōu)化，提高車體強度，為我國軌道車輛新型車體結構的設計提供指導。

1 CRH3A型動車組車體結構

CRH3A型動車組車體與CJ-I型動車組基本一致，均采用全焊接鋁結構，車體采用通長的大型中空鋁型材焊接而成的筒狀結構，主要由底架、側墻、車頂、動力學前端結構、端墻等組成。各大部件均由長大型材拼焊而成，焊接接頭采用對接和搭接的連接方式。車體強度滿足 EN 12663《鐵路應用-鐵道車輛車體的結構要求》PⅡ級：“固定編組”規(guī)定的要求。基于模塊化設計原則，車體分為兩種基本類型：

（1）端部車體（含動力學前端結構）；（2）中間車體。

CRH3A型動車組優(yōu)化后與原CJ-1型動車組差異為：（1）根據(jù)車輛的統(tǒng)型要求，中間車體長度由24200mm加長至25000mm（端部車體加長至27600mm），高度不變；底架端部結構參照時速350公里標準動車組結構進行了適應性調整。（2）為滿足與站臺間隙要求，車體斷面輪廓在窗腰帶下部，型材外輪廓尺寸局部調整，相應大部件調整如下：1）側墻下部兩塊型材輪廓局部進行調整；2）底架為滿足與側墻的連接，與側墻接口位置局部調整。（3）端部車體由于車頭及司機室的變化，車體動力學前端加長約950mm。

2 CRH3A型動車組車體結構優(yōu)化

2.1 端部車體強度分析

CRH3A優(yōu)化動車組中間車車體結構與原CJ-1型動車車體結構基本類似，其強度相差不大，故主要對端部車體強度進行分析。CRH3A優(yōu)化動車組端部車體結構較為特殊，車體車身部分由CRH3型車平臺衍生而來，司機室車頭及空氣動力學前端由CRH5型車平臺衍生而來，兩者的配合可靠性需要通過計算來進一步校核。空氣動力學前端結構破壞了車體的筒形結構，且動力學前端的加長，使得非筒形結構與筒形結構的比例加大；為了彌補強度的不足，動力學前端在CRH5型車平臺的基礎上進行了加強，型材結構均在CRH5型車基礎上加厚加強。另外，CRH3A優(yōu)化動車組端部車輛為具有牽引電機的動車，牽引電機通風機冷卻風道需要在車體地板上開通過孔，并去除大部分型材斜拉筋，導致車體開孔處局部強度及剛度減弱；仿真分析計算時，該處應力明顯超過了材料的許用應力，見圖2和圖3。

2.2 車體結構優(yōu)化

由上仿真分析可知，CRH3A優(yōu)化動車組端部車體的窗角及門角等位置局部應力超過標準應力許用值，故需要對其局部結構進一步優(yōu)化。依據(jù)GB/T 7928-2003標準，CRH3A優(yōu)化動車組車體在垂向超員載荷工況作用下，車體底架邊梁中部靜撓度不應超過17.8mm；根據(jù)TB1335-96標準，在垂向超員載荷工況作用下，車體相當彎曲剛度不小于1.8X109 N?m2；根據(jù)TB1335-96標準，在扭轉載荷工況作用下，車體相當扭轉剛度不小于5.5X108 N?m2/rad。根據(jù)BS-EN12663-2010標準，車體靜強度計算工況共22個，本文僅對優(yōu)化后車體強度變化較大的幾種載荷工況和位移約束描述如表1。

經過初步仿真分析發(fā)現(xiàn)，窗角及門角等位置局部應力超過標準應力許用值，適當優(yōu)化后即可滿足標準要求。但動力學前端與牽引電機通風機風道連接的焊縫處，應力值稍大，通過簡單優(yōu)化處理，無法滿足要求。經過分析得應力超標的主要原因：通風機風道地板處，由于地板開孔較大，且地板型腔的斜筋去除較多，導致結構較弱，而動力學前端結構較強，在受車體縱向力作用下，兩者的連接處應力突變明顯。

針對上述問題，首先，采取加強通風機風道地板處結構強度的方法，使其與動力學前端結構強度接近。將通風機風道側壁加厚，并在地板上通風孔兩側貼加補強板，同時，將動力學前端的牽引梁延長，使其與通風機風道連接。經過多次反復試驗，無論如何加強結構，都無法徹底改善通風機風道地板處的薄弱狀態(tài)。在加強結構的末端應力值都無法滿足要求。由于通風機風道處結構所限，單一采取加強薄弱點結構的措施不能解決強度不足的問題。

其次，采用減弱動力學前端結構的方法來優(yōu)化解決。通過反復試驗，為了避免應力突變，設置了結構強度減弱的漸變過程：（1）減短動力學前端的牽引梁來減弱結構強度；（2）將連接板上的連接筋去除，同時在連接板上加工出臺階，使連接板末端約200mm長度厚度減薄，結構再次減弱；（3）基于前兩步的基礎，在連接板末端中間開方孔，使連接板在外輪廓不變的前提下，有效寬度變小，結構進一步減弱。

通過以上三步，優(yōu)化后的動力學前端幾何模型如圖4，雖然動力學前端結構很強，但是已經提前將其逐步減弱，到與通風機風道連接處時，已減弱到與風道結構相匹配的結構強度。應力值基本滿足許用要求，僅在接縫交角處稍大，通過增加倒圓角的處理方式，使應力值均在許用安全系數(shù)之內，成功的解決了應力集中問題。

對于車體的剛度，由于動力學前端的加長，使的一位端改變了車體的筒形結構，致使車體的扭轉剛度不足，通過在車內一位端區(qū)域增加內端墻的方式，改善了車體的扭轉剛度。

通過仿真分析計算，經優(yōu)化后動力學前端與風道連接處的強度滿足標準要求。典型工況下得應力見下圖5（圖中孔內應力值較大，屬非焊接區(qū)域）。

在AW3垂向載荷工況作用下，車體及底架邊梁垂向位移云圖見圖6。車體底架邊梁中央位置垂向靜撓度值為7.291mm，計算得端部車體相當彎曲剛1.817*109 N?m2。在扭轉載荷工況作用下，計算得端部車體相當扭轉剛度5.5405*108 N?m2/rad，滿足評定標準。

3 結論

CRH3A優(yōu)化動車組真實車體靜強度試驗，已由第三方試驗檢驗完畢，結果滿足車體強度標準要求，且實測結果與仿真分析計算結果相近。

綜上可知，車體強度不足時，需要結合車體整體結構優(yōu)化。對于強度不足之處，通常采用的優(yōu)化方法是加強薄弱點結構；但是由于受結構等因素限制，采用加強薄弱點的方案未必都能完全改善整體強度；相反，采用減弱其相鄰處結構，減少與相鄰處的強度差距，避免應力集中，可以有效改善薄弱點的強度指數(shù)。進而優(yōu)化了車體的整體強度。

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