新一代高速动车组车体结构创新设计 惠美玲

新一代高速动车组车体结构创新设计惠美玲

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EN 12663中纵向压缩力( 1 500kN)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750 mm施加100 kg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EN 12663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。15 m/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