郎艳 杜晓杰 王同曜 葛永才 李玉崙
中车大连机车车辆有限公司 辽宁大连 116021
摘 要：轨道交通车辆的发展已经进入了新的时代，新材料新技术的广泛应用，车辆的智能化、车体结构轻量化成为了设计的研究方向，引导轨道交通车辆向节能、环保、便捷方向发展。
关键词：轨道交通车辆；车体；轻量化；应用
0 引言
轨道交通装备制造行业发展以国家政策为导向，明确发展方向。
轨道交通装备行业受到国家各主管部门产业政策的大力推动和支持，主管部门先后颁布:《增强制造业核心竞争三年行动计划（2018-2020）》、《中国制造2025》、《交通强国建设纲要》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等产业政策，为轨道交通装备制造行业的发展提供了强有力的政策支持和优良的政策环境。
轨道交通装备行业发展方向为进一步打造具有国际竞争力的平台化、谱系化、智能化和绿色节能轨道交通产品。开发现代轨道交通装备新一代高效节能技术，实现绿色智能轨道交通装备的工程应用。研究车辆车体轻量化等技术，实现向低能耗、高性能、高可靠产品升级。
1 整车能耗与重量分析
1.1能耗与重量关系
车辆的能耗主要由牵引净能耗和辅助能耗构成。
辅助能耗主要由空调能耗、照明能耗等组成。牵引能耗与车辆重量有关，车辆重量重机械阻力必然大，所需牵引能量就多。
1.2分析整车重量占
分析整车各系统重量分配情况，转向架重量整车占比最大约31%，其次为车体钢结构重量，占整车重量约24%，其他系统如车门、空调、内装系统等占比均不如车体钢结构的重量占比。车体钢结构减重能够有效的实现整车减重目标，从而能够有效降低能耗。经有关分析证明重量每降低1t,能耗降低约0.28%。可见车体钢结构轻量化设计具有一定意义。
2 车体轻量化设计
2.1车体关键参数
通常情况下车体钢结构采用整体承载的全焊接结构，主要由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室(仅Tc车有)等六部分组成。在同一列编组的车辆中不同车型的车体结构断面基本相同并能够满足车辆限界及设备安装接口的要求。
车体主要结构尺寸参数如表1所示。
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车体钢结构除了尺寸参数满足要求外，其静强度、刚度、模态及稳定性应满足EN12663《铁路车辆 铁路车辆车体结构要求》标准要求，车体能够承受相应的径向压缩、拉伸载荷。头车司机室设计带有防爬的吸能结构，满足EN15227《铁路应用 铁路车体的防撞性要求》中规定的相应的碰撞要求。
2.1车体钢结构轻量化设计方法
2.1.1车体钢结构轻量化设计前提
车体钢结构轻量化设计必须以满足尺寸参数、性能参数、限界参数、标准要求及合同要求为前提的情况下的进行的设计。同时兼顾车体外形、有无雨檐、底架设备吊装形式等个性化需求，车体轻量化设计成为了整个设计的加分项。
2.1.2车体钢结构轻量化设计方法
车体钢结构轻量化设计的有效途径为更优材料和结构优化。
2.1.2.1车体材料优化
为了轨道交通车辆的轻量化设计，车体材料经历了一代代的发展历程。由重量大、能耗高、抗腐蚀性差、维修量大的普通钢发展到了无涂装，维护成本低，轻量化减重能够达到30%~40%的不锈钢车体。采用大型中空铝型材的铝合金车体，车体结构设计相对简单，制造工艺相对容易，车体气密性好，减重效果更加明显。随着复合材料的发展，碳纤维复合材料车体的问世将车体轻量化设计推向了新的高度。
2.1.2.2车体结构优化
车体结构优化进行轻量化设计是另一个减重设计的有效途径。结构优化分为尺寸优化、形状优化 、拓扑优化。以铝合金车体钢结构设计为例主要具体结构优化：
a)底架装配设计
底架装配中底架地板型材的数量由六块减少为五块，这样不但减少了一个型材插口，而且减少了一条焊缝，从而在一定程度上减轻了底架的重量。除此之外，在底架下方没有设备的地方，把该处的滑槽铣掉，以减轻重量。
b)顶棚装配设计
车顶滑槽布置尽量少，尽量把内装及风道等车顶上各部分接口布置在一条滑槽上，在不悬挂小件的地方，铣掉多余的滑槽，以达到减重的目的。
c)司机室骨架
司机室骨架与车体采用焊接方式连接，玻璃钢外罩与骨架采用粘接剂粘接，不使用紧固件连接。
d)铝型材筋板设计
在车辆铝合金型材设计中，筋板主要有三角形、矩形两种形式。在其它参数一致的前提下，与三角形筋板相比，矩形筋板重量相对较轻。如果在满足强度的条件下，多采用矩形筋板能够有效降低车体钢结构重量。
e)拓扑分析优化
采用拓扑分析的方法对车体结构进行优化能够实现车体轻量化设计，图1为某项目的拓扑分析报告节选，以压缩工况作为优化的工况载荷，对车体结构进行拓扑优化，局部减重效果可见。
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3 综合应用
车体轻量化设计需要运用综合的方法，结合不同的实际要求，利用各自的优点，助力轻量化设计。
轻量化设计与车辆不断提升的运行环境及安全指标如振动与噪声、防水防尘、平稳性及舒适度、防火及环保等性能设计进行有机结合，确保各项功能的同时整体重量做到最优。
4 结论
本文论述了轨道交通车辆轻量化设计是车辆设计的发展方向之一，选择更优的车体材料以及车体结构优化是车体钢结构轻量化设计的最有效途径，然而轻量化设计不能单一的局限在某个系统，轻量化设计理念需要常态化的贯彻到车辆设计的每个部分，综合考虑全局最优而非局部最优。通过合理的结构设计、最优的材料选择以及新技术新材料大胆尝试综合应用，轨道交通车辆的轻量化设计必定能够再创佳绩。