广德强 何亭睿 于辰飞
（中车大连机车车辆有限公司机车开发部 辽宁大连 116021）
摘要：随着国内外轨道交通的发展，我们在机车领域取得了良好的成绩。为了提高企业产品竞争力，使产品节能减排，机车车体的重量将作为一个重要的因素。如何在满足车体强度的基础上，设计出一个更轻质的钢结构，将会成为衡量一个优秀机车的重要指标。
关键词：机车车体；钢结构；减重方案；优化设计；
1、前言
随着国内外具有高竞争力的机车车辆越来越多，提高企业的竞争力就显得尤为重要，特别地，在现阶段的发展中，作为提高企业竞争力的关键点就是提高产品质量和机车车辆重量。随着国际机车标准的不断提高和完善，机车发展也面临着新的机遇和挑战。抓住新的挑战，发展企业，满足客户的需求，是机车行业未来发展的重要目标。
2、我国机车钢材现状
2.1机车
机车车体结构材料从经济性和使用寿命综合考虑，一般选用普通碳素钢与低合金钢相结合比较恰当。由于车体底架是主要承载部件，一般采用强度相对较高的材料如Q345和Q460系列等，而承载相对较小的部件一般选用强度相对较小、比较经济的普通碳素钢。而像司机室蒙皮、侧构蒙皮、顶盖蒙皮等与外界大气接触的部位通常选用耐候钢。对于要求轻量化的高速机车，车体顶盖则可以选用铝合金材料。
2.2货车及城轨车辆
货车车体结构材料大多为耐大气腐蚀钢（耐候钢）。耐候钢相对于原来使用的Q235普碳钢而言，使车辆的厂修期由6年延长至8年左右。最早使用的耐候钢以09CuPTiRe（屈服强度295MPa）和09CuPCrNi（屈服强度345MPa）为主，其耐腐蚀性一般相当于普碳钢的2倍左右。到2001年时，货车、敞车、篷车都采用这种耐候钢。2003年开始采用高强度、高耐候结构钢以降低车辆自重，提高整体性能，而目前，货车使用的耐候钢的屈服强度已超过550MPa。
城轨车辆车体材料主要为SUS301L，目前主要从日本、韩国进口。该材质的优点有：材料冲压成型性能较好，具有较高的疲劳强度，但其不足之处是成本较高、生产工艺复杂、钢板的平直度不够高。因此，针对城轨车辆车体用钢这方面问题，需要开发更为经济的不锈钢。
3、机车减重方法的选择与优化
随着经济的发展，国内机车公司的订单量不断增加，机车出口量也在不断增加。而具有轻量化的机车车辆在国内外市场上占有明显的优势，也是目前机车行业研究重点之一。车体作为机车的主要承重结构，其重量减轻是优化机车结构的关键点之一。一般来说，技术研究人员都会采用有限元模拟，优化车体结构设计，通过有限元分析，提高效率。机车车体传统的减重方法是设计师根据自身经验对车体结构板材减少板厚，因为没有试验和数据支撑，又需要保证车体的安全和可靠性，因此一般安全系数余度较大，重量就存在较大余量。上述方法对疲劳强度考虑有所欠缺，减重效率低，减重幅度有限，存在重大返工的风险，在加上现如今设计周期要求越来越短，设计的精准度要求越来越高，传统的减重方法已不能满足实际需求，因此，必须与计算机模拟相结合。在保证车身强度和刚度的前提下，通过设计车体上不同部位的板厚发生变化，让车体重量减小，以实现模块化减重、程序优化和板厚参数化[3]。
4、承重结构的发展与现状
4.1在车体结构的初步设计中，车体的承载结构和非承载结构应与其它结构分开，以使它们能独立满足不同的要求。车体主要分为底架承载结构和整体承载结构两种，底架承载结构是以底架为主要承载部件的结构；整体承载结构是以底架、司机室、侧墙、侧墙为主要承载部件的结构。在底架承载结构中，一般认为车体上部结构不是承载结构，上部结构不参与车体静强度分析。
4.2从上世纪末到现在，随着科学技术的发展，我们的设计能力和生产水平也在不断的提升，在这种情况下，我国的机车不仅生产量逐渐增多，同时具有许多优异的性能，尤其是车体结构的强度及重量与国内外机车各项数据相比较具有一定的优势，目前国产交流传动机车水平接近国外交流机车[4]。
5、机车车体重量优化
5.1车体结构设计
根据机车总体方案确定车体的承载结构的形式，确定各个组成部件的位置，建立一个完整的车体结构三维模型。车体三维模型需要根据总体设备布置针对性的对局部结构进行细节处理，同时需要满足车体各项功能的配置，例如旁乘座、整体起吊座、牵引拉杆座、风道等结构的安装及布置，也对转向架的多种减震器安装座和止挡座进行设计。
5.2优化设计过程
利用ANSYS有限元建模分析软件完成机车承载结构的有限元建模和静强度及模态分析，根据分析结果，对出现应力集中的结构进行结构优化，对应力值低的部分进行板厚降低或者进行结构精简。结构优化后，在通过ANSYS有限元建模分析软件对修改后的模型进行分析，反复重复这个过程，知道重量优化到设计期望值，且车载结构的强度满足标准的要求及项目的需求。
5.3施工过程
机车车体在焊接后和涂装过程中会增加大量的辅料，如车体断续焊处施加密封胶，车体外蒙皮处增加腻子保证车体外表平面度，这些重量都会导致机车重量增加，而且根据每台车的施工状态不同，导致重量变化也不一致，存在辅料预估重量严重偏低的情况。所以必须对辅料的施加进行管控，避免机车重量失控。
6、新型机车车体结构优化方法
有限元设计是一种科学的实验方案，正确地分析实验结果，尽快获得优化方案的一种数学方法，他的目标是尽可能少的试验次数得到尽量全面的结果。从理论上来说，它只能对一系列的试验结果进行简单的比较，而没有优化算法中搜索寻优的能力，所以有限元分析不能作为一种优化算法。如果我们把优化问题分成两个阶段，第一个阶段进行粗略优化，第二阶段进行精确优化，那么第一阶段的工作就可以借助实验设计来快速的完成。对于第一步的粗略优化，可以选用超拉丁方设计进行；对于第二部的精确优化而言，最重要的是找到一种适合求解单次计算时间较长的大型非线性复杂结构优化设计的优化算法，采用优化效率比较高的数值优化算法比较合适。两个步骤相辅相成，很好的综合两种方法的优点，并互相弥补不足，能够充分发挥可行方向法收敛速度块，解的可能性好的优点，提高优化效率。
7、结束语
随着科技进步和国家综合能力的增长，我国各领域的快速发展也在加快。机车作为交通运输的重要组成部分，是国家未来发展的重点之一。对于机车车体的未来发展，车体钢结构的选择需要结合车体实际情况，选择不同种类的钢材，采用最合适的优化结构方案，以实现了车身钢结构减重的最佳设计效果。
参考文献
[1] 隆孝军, 杨毓康, 王毅,等. 机车车体钢结构减重优化设计方法研究[J]. 智能制造, 2016, 000(008):P.60-63.
[2] 赵万里, 李俊文, 于德壮. 机车车体钢结构减重优化设计方法研究[J]. 百科论坛电子杂志, 2019, 000(016):437.
[3] 冯军. 轨道车辆钢结构减重优化设计方法研究[J]. 内燃机与配件, 2019, No.284(08):207-208.
[4] 隆孝军, 马武福, 陈汉珍,等. 大功率内燃机机车车体结构减重优化计算分析[C].中国cae工程分析技术年会. 中国机械工程学会;中国自动化学会;中国力学学会, 2008.
[5] 田红旗, 梁筠颐. 准高速电力机车车体钢结构减重研究[J]. 机车电传动, 1996, 000(004):12-14,50.