摘要：现如今，我国的高速动车组发展迅速，不同类型的动车组的主体结构大不相同，本文总结出动车组车体结构的特点;某动车组车体结构刚度仿真分析结果与试验结果的误差为8．15%，验证了车体刚度分析模型的可靠性;研究车体主结构开口(门口、窗口、空调口)和支撑位置对刚度的影响，结果表明:封堵四个侧门口后的车体相当弯曲刚度提高56%;封堵空调孔后车体相当扭转刚度提高20．36%;侧门中心线与车体支撑位置中心一致时可提高底架边梁中心的垂向位移2．2836mm;三种不同吊装方式的动车组在超员状态下的垂向刚度研究结果表明，采取混合吊装方式对整备状态车体一阶垂向弯曲频率影响最小，底架边梁悬挂方式对车体垂向刚度的影响最小．
关键词：动车组;铝合金车体;结构刚度;FEM;振动频率
引言
高速动车组车体整体结构刚度决定着车体整体自振频率、部件刚度决定着车体强度特性与局部振动频率、部件间刚度协调性控制着应力集中程度，进而决定着车体疲劳寿命．与传统的板梁组合车体结构不同，高速动车组铝合金车体枕梁与底架没有焊接关系，枕梁仅与底架边梁借助螺栓连接，故车体垂向载荷要经由底架边梁通过枕梁传递到转向架支撑位置;车体纵向拉、压载荷通过底架前端一面由连接型材向地板传递，一面由边梁向侧墙传递，导致位于车体传力路径上的部件应力集中现象突出．同时，车体铝合金型材的焊接热影响区强度远远低于母材强度，这些问题已成为高速动车组车体结构设计的难点．所以，高速动车组车体设计新方法的研究势在必行．
1车体结构设计基本要求
高速动车组铝合金车体三维设计是依照总体技术条件要求，以动车组动态包络线为约束条件和头车气动外形，按自顶向下的设计原则进行设计的．车体由各种铝型材、板材通过插接、焊接组装成底架、侧墙、端墙、车顶等大部件，这些大部件再经组对、拼接成为车体，车体再经打磨、表面处理、试漏以及安装小部件后成为车体总成．按照EN15085焊接标准，选择铝合金车体母材、焊接材料和设计车体的焊接接头形式．高速动车组铝合金车体结构设计载荷主要参考BSEN12663－2010《铁路应用—轨道车辆车体结构要求》标准．高速动车组铝合金车体主要材料使用具有挤压成型性、耐腐蚀性和焊接性能好的Al－Si－Mg系低元素铝合金6005A和6082A．与钢结构焊接相比，铝合金焊接热影响区范围宽、且焊接热影响区内母材的强度显著降低，例如:6005A大型铝型材焊接接头热影响区半宽度为15～20mm;6005A中空型材厚度大于5mm小于10mm时，热影响区的强度仅为母材强度的0．575．此外，在车体方案设计阶段，对于位于车体传力路径上的主要型材焊接接头强度评估时，还应考虑一定的安全系数，可取1．15．原因是，铝合金结构车体静强度试验值较其计算值偏差较大、且对铝合金车体物理样车结构局部补强不易操作．
2动车组铝合金车体结构整体刚度的影响因素
2.1主结构开口对相当弯曲刚度的影响
现选与试验车基本相同的某城际动车组为研究对象，研究空调口及侧门口对车体相当弯曲刚度的影响．原始模型的相当弯曲刚度为1．61×1015N·mm2．首先，将原始模型，封堵一位端空调口，可得车体的相当弯曲刚度为1．651×1015N·mm2;再封堵二位端空调口，相当弯曲刚度为1．729×1015N·mm2;接着，将原始模型封堵四个侧门口，得到相当弯曲刚度为2．506×1015N·mm2;进一步再将车体两个空调孔和四个侧门全部封堵上，得到其相当弯曲刚度为2．659×1015N·mm2．
2.2车体侧门的位置
尽管车体侧墙缺口大小对车体抗弯刚度的灵敏性较低，但是，若车体侧门距离端墙很近，纵向传力路径上的刚度是严重不连续的．所以，承受纵向压缩载荷之后的车体端部变形会主要集中在端墙和侧门立柱区域，致使侧门门角、端门门角及侧门立柱设备安装孔等位置存在着严重的应力集中现象．尤其是承受窗腰带高度端部纵向载荷时，侧门缺口不仅会造成纵向载荷无法传递到侧墙，也对端墙与底架连接处形成较大的弯矩，致使端门门角处应力值偏大．
2.3吊装设备方式对刚度的影响
当前动车组主要采用三种吊装方式:底架滑槽吊装、底架边梁吊装以及混合吊装的方式．动车组A1车体底架设备采用底架滑槽吊装方式，吊装设备通过T型槽内所设置的滑块或者垫块挂装在T型槽之间，与螺栓相结合，对吊架进行固定．动车组A2车体底架设备采用底架边梁吊装方式，车下设备均通过螺栓弹性吊挂在车体底架安装梁上，安装梁通过螺栓固定在车体底架边梁上;动车组A3车体底架设备采用混合吊装方式，车下1000kg以上的重型设备通过楔形橡胶弹性吊装在车体底架边梁上，在1000kg～200kg的设备通过大型圆形减震器弹性吊装在车体底架边梁上，而小于200kg的车下吊挂设备大多吊挂在车下滑槽处，并且使用螺栓刚性连接即可．现选取以上三种不同吊装方式的动车组来研究吊装设备方式对刚度的影响，三种动车组铝合金车体的设计质量以及车体设备吊装质量，通过有限元仿真分析计算各车体最大综合位移和底架边梁最大垂向位移，并对车体底架边梁从一位端到二位端沿车长方向垂向位移的变化以及底架边梁最大垂向位移所在的横截面从一位侧到二位侧垂向位移的变化数据进行分析，最后对车体进行模态分析，对比各自车体结构的底架一阶垂向弯曲和整备状态下的底架一阶垂向弯曲频率，确定何种吊装方式对车体垂向刚度的影响小．
2.4车体断面型材材料选择
列车运行过程中，铝合金车体承受着来自各方向的作用力，车体断面上的材料选择考虑焊接和加工性。此外，也应考虑铝合金材料的可挤压性和热处理性能。目前，我国设计的铝合金车体多数为全焊接车体，断面上的长大型材一般采用6000系列铝合金材料。6000系属于居中强度合金，有极好的压力成型性，焊接性能和抗腐蚀性能也很好，无应力腐蚀倾向；可热处理强化，淬火后具有良好的机械性能，如果需要，热处理可达到很高强度。
结语
借助有限元分析方法进行铝合金车体主结构开口、支撑条件和底架设备的吊装方式对车体结构整体刚度的影响研究，结果表明:(1)车体边梁中部位移测点的测试值与计算值的相对误差百分比为8．15%，车体刚度结果与测量结果有很好的一致性，说明车体的有限元模型能很好地反映出车体的实际刚度特性，具有较高的可靠度;(2)在原始模型基础上封堵四个侧门口后的车体相当弯曲刚度可提高56%;在原始模型基础上封堵空调孔后车体相当扭转刚度提高20．36%;(3)侧门中心线与车体支撑位置中心一致时可提高底架边梁中心的垂向位移2．2836mm;(4)混合吊装方式对整备状态车体一阶垂向弯曲频率影响最小，底架边梁悬挂方式对车体垂向刚度的影响最小．
参考文献
［1］李泽宇，周伟旭．城际动车组顶层技术指标分析［J］．大连交通大学学报，2014，35(1):11-15．
［2］贾尚帅，李明高，张军．城际动车组车体模态灵敏度分析［J］．大连交通大学学报，2016，37(4):24-28．
［3］谢素明，赵建，王成强．动车组铝合金车体结构刚度协调设计原则［J］．大连交通大学学报，2016，37(5):8-12．
［4］中华人民共各和国铁道部．TB1335－1996，铁道车辆强度设计及试验鉴定规范［S］．北京:中国铁道出版社，1996．
［5］田玉坤，田葆栓．EN12663《铁路应用—铁道车辆车体结构要求》标准分析研究［J］．铁道车辆，2018，56(5):12-17，4．