中车唐山机车车辆有限公司河北唐山063035
摘要：为满足固速度提升带来的车体评价标准改变，新一代高速动车组车体在CRHs型动车组成熟结构基础上进行结构优化设计。仿真和试验结果表明，新一代高速动车组车体结构在轻量化、强度、振动模态、空气动力学和动应力测试等方面具有优异的性能，结构安全可靠。
关键词：高速动车组;车体结构;轻量化;振动模态;空气动力学
1车体结构优化设计
车体由司机室(仅头车)、底架、侧墙、车顶和端墙组成。司机室采用接近旋转抛物体特征的流线形造型，车体表面进行平顺化设计，具有空气动力学性能;底架为边梁承载的无中梁形式铝合金焊接结构，车下设备采用横梁滑槽吊挂方式，便于设备安装;侧墙和车顶为大型超薄中空铝合金型材的通长拼焊结构;端邮牵枕缓使用高强度铝合金型材烨接结构，强化局部承载能力，根据车内设备布置的需求，端墙分为固定式和活动式两种。
1.1司机室结构
司机室结构由头部骨架、气密隔墙及焊件、窗骨架及电线支架和焊件组成。头部骨架由纵骨架和横骨架相互插接组焊而成，外部焊接蒙皮。为提高成型精度，所有铝合金板梁均采用数控加工，外敷蒙皮采用分幅模压和涨拉成型工艺。车窗、车门三维骨架由铝合金挤压型材经模具加工后制成，保证门窗安装精度和承载强度。
为满足因速度提升带来的气密载荷值增加，司机室结构主要改动如下:
(1)增加司机室蒙皮板厚;
(2)改进气密隔墙，板梁结构改为双层中空型材。为更好的提升车体空气动力学性能，对司机室轮廓进行了截面优化，为旋转抛物体特征的楔形结构，纵断面双拱形、水平断面扁梭形。
1.2底架
底架结构主要由牵引梁、枕梁、缓冲梁、边梁、横梁和双层中空地板等结构组成。边梁及地板由长大铝合金型材纵向焊缝整体拼接而成;中部与端部地板保留高度差，为空调风道，内装、转向架及车下设备保留设计空间;车下安装设备采用特殊螺栓吊挂方式，保证运用安全和安装方便。
为满足EN12663中纵向压缩力(1500kN)的要求，底架部位的优化设计主要在于:
(1)增加牵引梁刀把位置上下翼面的寬度和补板;
(2)在高低地板处连接部位增加纵向梁，使该部位有更大的传力截面，降低该部位因高低差导致的应力集中;
(3)底架边梁结构由原来的口字形结构改为桁架结构，增加边梁的承载刚度。
1.3侧墙结构
侧墙结构主要分为头车侧墙和中间车侧墙。由于头车同机室车头造型的需要，头车侧墙长度要比中间车侧墙短些。头车和中间车侧墙上设有侧门开口和窗开口，不同的是侧门开口位置及窗开口的大小和位置有所不同。为了满足运背需要，侧墙上还设有车号显示开口、目的地显示开口等。
为了满足高速列车士6kPa的气密载荷要求，侧墙结构主要改动如下:
(1)侧墙门袋处门口两侧结构由单板凸筋加补结构改为中空型材;
(2)侧墙和边梁连接部位的侧墙型材轮廓线改为圆滑过渡，增加该部位型材的刚度，同时提高车体菱形模态频率。
为了提高车体模态和局部模态，底架地板由原来的单板凸筋结构改为双层中空型材;提高局部模态频率，型材内壁敷热熔性减振材料，衰减车体振动和嵘声，提升采客乘坐舒适度。
1.4车顶结构
车顶结构主要由7块大型通长中空挤压型材焊接而成。通长挤乐型材上适当位置设通长的T形槽或焊接铆接连接骨架，用于顶板等内装部件的安装。侧顶处的两块型材为变截面设计。在车项工作的人员每隔750mm施加100kg集中载荷时，车顶结构具有足够强度，以支撑该载荷而不会产生永久性变形。
为满足气密载荷值的提升，车顶结构主要改动如下:
(1)车填结构型材中部改为变截面，增加了车顶刚度，控制车顶垂向变形;
(2)侧顶圆甄处改为变截面设计，增加该部位刚度，显著提升侧墙和车项刚度，控制其在气害载荷作用下的变形量。
1.5端墙结构
端墙结构分为带活门的端墙结构和固定端壙结构，主要由门框、端角柱、嘴顶弯梁和端壩板(中空型材)等组成。端角柱和门框为型材焊接结构，端顶弯梁为拼焊结构。中空铝型材之间相互插接，端角柱和门口立柱采用搭接结构，侧顶圆弧处端角柱采用拼焊结构。
端墙上设蹬车扶梯。端墙设搬运卫生问模块的开口和可拆卸的结构盖板;开口处采用板梁和中空型材连接结构，结构盖板和固定端墙间采用螺栓连接并作气衡处理。
为满足气密载荷值提升及强度标准规定的端部载荷要求，端墙结构优化改进如下:
(1)端部结构由板梁结构改为中空梨材;
(2)优化改进端角柱结构。
2车体结构性能评估
车体强度方面，车体设计除了首先要满足静强度设计准则外，还委满足疲劳强度标准。车体刚度是在载荷作用下抵抗弹性变形的能力，相同载荷下刚度越大变形量越小，产生共振时所需变形能越大。考虑转向架振动特性，整备状态F的车体振动模态须大于10Hz,保证车体和转向架的重向主顿共振峰错开。车体空气动力学方面，车体轮廓线及同机室有很好的气动外形，降低气动阻力。
2.1车体强度仿真分析
根据EN12663标准对新一代高速动车组车体结构静强度、被劳强度，刚度及其模态进行有限元分析。结果表明，车体静强度和瘦劳强度满足要求。
2.2空气动力学分析
新一代高速动车组通过合理的空气动力学设计，采取数值仿真、模型试验、凤洞试验和实车运行试验的综合解决方案，气动性能指标优良。
为了得出车辆气动升力与速度的关系，制作1:8缩比车辆模型，进行风洞测试。在线路空气动力学测试中，测试结果表明尾车升力接近于零，相比CRHx型动车组有所降低。为研究车辆侧向力与横风稳定性的关系，分别进行了空气动力学仿真和风洞试验。15m/s侧风下车辆能以350km/h安全运行。
2.3动应力试验
动应力试验通过连续记录车体上各测点应力信号的时间历程，进行统计计数后编制成应力幅值谱。对于车辆结构而言，通常取8级应力谱便可足够可靠的反映实际动应力历程。车辆结构疲劳属于变幅载荷下的疲劳问题，在变幅载荷下，低于疲劳极限的应力水平对于车体结构损伤也可产生显著影响。因此，变幅载荷下结构的疲劳评估需要考虑各级应力水平对结构疲劳损伤的贡献。
通常做法是将应力谱按损伤相等的原则等效为恒幅应力(称为等效应力幅)，该等效应力幅能够反映结构在一定工艺条件、运用工况和运用里程下的动应力状况，并采用该等效应力幅来评估结构在运用条件下的疲劳强度。动虚力试验依据《新一代商速动车组型式试验大纲》，对车体动应力进行全面测试。测试工况主要包括:350km/h.380km/h、会车、隧道通过、郑西线重载、武广线重载(含150%加载)等。
由测试结果可知，交会工况下的等效应力最大，380km/h空载次之，350km/h空载最小。牵引梁刀把处测点的等效应力在交会工况下最大，最大值为11.8MPa。其他测点的等效应力值均小于该值。所有测试数据能够较为全面和准确地反映被测试车体的动应力水平和特征。测试得到的动应力幅值均小于结构疲劳许用应力。
3结语
在车体结构仿真分析的强有力支撑基础上，对新一代高連动车组车体结构进行优化设计，设计制造完成后的车体通过台架和线路试验，测试得出车体结构的各项性能指标都满足要求，车体运行安全可靠，车辆平稳性和舒适性指标优良。在车体设计过程中，培养和积累了一批车体设计、仿真和试验分析人员。
参考文献
[1]张曙光。高速列车设计方法研究[M]。北京:中国铁道出版社，2009.
[2]张喜荣，王冬，刘爱霞，等。中国高速铁路建设的现状及其中长期发展研究[J]，中外企业家，2010(13);82-85.
[3]安治业，戴贤春，刘敬辉，等，高速铁路运营安全风险控制研究[J]，铁道运输与经济，2014(1);22-27.