轨道交通车辆车体结构轻量化设计分析

轨道交通车辆车体结构轻量化设计分析

戴志杰

苏州轨道交通运营有限公司运营一分公司

摘 要：在科技进步和人民生活质量日益改善的今天，人民的物质需求也得到了极大地提高。在人们的日常生活生产等领域，科技发展日新月异，火车、汽车、磁浮列车等交通运输质量都在变得更好。当前，针对轨道交通的发展变革，有关车辆车体结构的轻量化研究已成为国内外学者关注的热点。轨道交通车辆车体轻量化是在确保车体刚性质量的前提下，实现整车自身重量的减小，是提升列车综合性能、延长列车服役寿命的重要途径。为此，本文拟开展轨道交通车辆车体的轻量化研究，以期加深对车体轻量化的理解，并为车体结构的优化设计提供重要的理论依据与技术支持。对轨道交通的车辆车体进行了轻量化的设计方案。

关键词：轨道交通；车辆车体结构；轻量化设计

如何在保持车体刚性与性能的前提下，降低车体总重量，降低能耗，对提高轨道交通车辆的服役年限具有重要意义。面向日益提高的运输设计需求，主动推进我国城市轨道交通车辆车体的轻量化研究，有利于人们对轨道交通运输认识水平的提高，从而为今后车体结构轻量化研究工作的展开提供支撑与保证。通过对车体轻量化的系统研究，进一步完善轻量化的理论和方法，为我国城市轨道交通的高层次发展打下坚实的理论和技术基础。

1轨道交通车辆车体结构概述

对于轨道交通运输车辆来说，车体结构轻量化不仅仅是指采用多种轻量化材料，而是以降低车体重量为最终目的。因此，在保证列车总体性能的前提下，采用多种轻质制备工艺和相应的材料，对车体结构进行合理的优化，能够在保证列车总体性能的前提下，降低列车的总质量，达到提高轨道交通运输的安全性和功能性的目的。因此，开展轨道交通车体结构的轻量化研究，不仅对车体结构进行优化，而且对提升列车的安全性和服役性能，以及推动我国城市道路运输车辆的可持续发展，都有着重要的理论和现实意义。

目前，我国轨道交通车辆车体的轻量化研究主要采用了铝合金的焊接结构，在框架型构架下添加了一定的表面材料。框架主要承担车体多个方位的荷载，而蒙皮结构则承担车体的剪切力，从而实现车辆运输的高效性与合理分配。在城市中，轨道交通的总体车体截面呈V形，长约19600mm至19000mm，前一种是带有驾驶员室的，后一种是带有动力装置的。车体底部的门槛比较宽，约2800mm。在节约能源的前提下，要在已有的基础上，采用轻量化材料，尽量对轨道交通车辆车体进行全面的轻量化结构设计。

2结构轻量化的作用

所谓结构优化，就是在保持原有的系统和技术不发生变化的前提下，对原有的结构设计和技术加以改进和完善，从而更好地满足社会的生产需求。而轨道交通车体结构的轻量化是指在同等荷载约束下，通过对车体材料结构等进行优化，实现车体整体质量的减轻，从而达到快速启动和降低能源消耗的目的。因此，应当积极探究采用科学、高效的分析手段，从多个参数中选择出最优解，从而达到优化车体结构的目的。

针对轨道交通在运输过程中的加速需求，主动推进车体结构的轻量化，在保持车辆基本性能不改变的前提下，进行相应的技术和体系结构设计的革新，实现车体结构的全面优化，实现轻质化运输。这样，轨道交通运输的提速和降速就能更快，能源消耗也更少。因此，对新时代下轨道交通车辆进行轻量化研究，对于优化车体结构，达到其功能与安全的目的，具有重要意义。

3车体轻量化的设计策略

3.1合理选择最佳变量

其中，板梁结构是车体的重要组成部分，由于板件构件的承载能力很强，所以更多地被用来建造车体的横梁，而梁单元则是构成大梁的一个基本结构，其中还穿插了一些焊接工艺。车体大体的构造是经过多年的设计和试验验证后确定的，所以车体的梁柱布局不会发生变化。而轻量化是利用高科技来降低车体材料的质量，同时又不会对车体的承载能力造成任何影响。因此轻量化的工作重点是对部分板梁的板厚进行优化，梁单元的构件由于承载力的原因不进行减薄。

（1）分组优化

在进行车体结构轻量化时，选用的构件数量愈多，质量减轻效果愈明显。然而，当构件数量增加时，其轻量化流程将更加繁琐，从而影响到轻质加工的效能。因此，在实现结构轻量化设计时，必须对所需的轻质构件进行分组优选，并按照不同的壁厚相似点等对其进行分组，避免对构件的单独设计，从而提升轻量化构件的工作效率。对于重量大的构件应特别重视，对于质量轻的构件则应进行受力和灵敏度分析。在实现轻量化处理前，对车体各参数进行细致全面地分析，选择出最优参数，以达到质量减重后的预期效果。

（2）对各变量的再细分

在以上分组的基础上，通过对初值变量的最优计算，获得了各个参数的灵敏性。首先，我们需要对该模型进行上下界限的调节，并研究其相应模型参数的性质改变；针对构件内部存在的应力不均匀、构件质量增加等问题，将敏感性分析的结论与各参数的敏感性进行综合考虑。然而，初始优化后的车体仍会出现多个局部的应力集中，这既会对最终的优化效果产生不利影响，也会增加结构的优化难度。因此应当采用应力集中的方式，以减少应力大小，并对最优化的参数进行逐步精细化。

3.2车辆车体结构轻量化设计

（1）车顶板

车体顶部结构的轻量化设计，能够实现双层中空结构，将顶部弯曲的横梁去掉，改成一个扁平的空调安装平台。因此，在去掉了支承梁之后，整个结构就会变得更加简单和流畅，从而提高了结构的合理程度。

（2）侧墙

在侧面墙体的轻量化设计方面，为了减轻材质、保障质量，可选择70mm厚的材料。在门杆的连接部位，选用顶盖边梁L型筋板，选择阶梯形门立柱，在与顶盖重叠的设计上，进行适当的出门角设计，确保车体的结构强度，从而使整个车头结构的自重减小。

（3）底盘部件

对车辆挂钩式梁进行轻量化设计，要减小牵引梁的弯矩幅度，对设置在转向架上的外侧立板进行合理的机械加工，使其安装空间进一步增大，压力传递路径更为简单。

3.3轻量化过程遇到的限制

车体结构轻量化设计的基本目的，就是在保持原有功能正常发挥作用的情况下，将车体的总体质量降到最低，从而在轨道交通车辆启停的时候能够更好地降低能量消耗，提高总体的车速和运输效率。不过要知道，轻量化并不是一味地追求重量，而是要考虑到车体刚度、强度和抗撞击性能等因素。虽然国内的轨道交通车辆制造已经进入了高度产业化阶段，但是由于不同车体的制造技术还存在着一些差别，所以在具体的车辆结构设计中没有一个确定的参数，只有一个大概的范围，轻量化结构设计不能用一些固定的数字来表示。

针对轨道交通对车辆车体的高强度需求，在车体抗弯、扭转等多个性能层面上，车体的轻量化应综合考虑多种荷载条件，以防止设计目的的偏离，从而有效提高车体轻量化设计的合理性。然而，如果同时考虑到各种不同的负载状态，这无疑会让整个设计工程变得更加复杂，而且还会使车体的轻量化问题变得更加困难。因此，如果能够在负载条件下实现轻量化结构的优化，那么其他的问题都可以得到很好地解决，从而达到事半功倍的目的。

3.4应力集中限制

由于车体的轻量化主要受限于强度与刚性问题，因此同时也存在着较大的应力集中，即较大的应力值可能超过材料所能承受的极限。通过对轻量化试验的分析，可以得出在轻量化试验过程中难以克服的问题之一就是应力的集中，特别是在包含焊缝的部位。在实现轻量化制造时，经常出现应力集中现象，导致构件失效。

通过大量的试验，研究和开发出了一种有效地消除焊缝局部应力的办法。首先，针对焊缝构件，采用精度较高的焊缝单元，并对焊缝周边构件进行网格优化，同时进行应力模拟计算，并与试验结果进行比较。数据结果显示，该方法能有效地解决焊缝局部的应力集中问题。在此基础上，通过对焊缝周边区域的二次结构优化，能够有效地避免大量的应力集中，从而得到与实际车体相接近的车体结构设计，最大限度地消除了应力集中的难题。

在此结构设计过程中，局部的应力集中依然存在，主要发生在尖角、孔洞、缺口、沟槽处以及构件单元部位。此时，设计人员必须依据实际的设计经验，对相关节点进行适当的结构调整，以减少节点的应力集中。

3.5优化配套生产技术

针对轨道交通车辆车身的轻量化设计，从有关资料可知，FSW焊接具有高的强度，无需填充物，从而能够减轻车身侧墙的自重。在该工艺基础上，将侧壁板截面的板材厚度减到2mm，也能够达到减轻整车重量的目的。

4结束语

总而言之，在进行轨道交通车辆车体结构的轻量化结构设计的过程中，设计者必须将车体的具体结构特征与其本身的性能特征紧密联系起来，并且按照有关规范的规定，在对车体结构进行合理优化的前提下，对车体截面和底盘边梁等车体结构细节做出适当的调整。通过对各类轻量化材料和轻型加工工艺的灵活应用，能够实现车辆车体重量减轻，提高车辆综合服役年限这一基本目标。

参考文献：

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