周家林，马 凯

（南车四方车辆有限公司 山东青岛266111）

基于EN标准的客车车体设计

周家林，马 凯

（南车四方车辆有限公司 山东青岛266111）

介绍伊拉克动车组客车车体钢结构的结构特点与参数，对其进行结构设计、选材以及强度计算和试验，按照EN 12663－2010《铁路应用铁路车辆车体结构要求》对车体强度进行分析评价。

EN标准；客车车体；结构设计；有限元；强度

出口伊拉克内燃动车组项目为2013年南车四方车辆有限公司设计制造的160 km/h动力集中型动车组，由2辆动车＋8辆客车组成，主要用于伊拉克当地短途旅客运输。客车由车体钢结构、15号小间隙车钩、密接式折棚、NTZ－1型转向架组成。

客车车体钢结构要求满足EN 12663－2010《铁路应用铁路车辆车体结构要求》中P－II类的载荷规定，车辆限界满足伊拉克铁路限界的要求。

1 客车车体钢结构

1.1 车体钢结构简介

客车车体钢结构采用无中梁、薄壁筒形、整体承载全钢焊接结构，设计寿命为30年。主要有底架、侧墙、车顶及内外端墙组成。车体宽度为2 905 mm，车顶高度为4 130 mm，木地板距轨面高度为1 273 mm，车钩连挂高度为880＋10－5mm，车体长度为25 500 mm，车辆定距为18 000 mm，车体断面及伊拉克限界如图1所示。

1.2 底架钢结构

底架钢结构主要由前枕梁、缓冲梁组成、边梁、横梁及附属件等部分组成。车体纵向力通过车钩传递给牵引梁、枕梁、波纹地板和边梁。牵引梁采取两根槽钢通过上下盖板焊接在一起，是直接承受和传递牵引力、冲击力的主要结构；枕梁由上下盖板及立板、加强筋焊接成箱式结构，满足承受垂向载荷和纵向力的同时作用；波纹地板采用Q355GNH的高耐候结构钢板冲压成型，主要传递纵向力，并把垂向载荷传递给底架横梁。边梁采用U18a－Q345C槽钢。

1.3 端墙钢结构

外端墙钢结构、隔墙钢结构主要由各种立柱、横梁及其附属件焊接而成。端角柱为冷拔管，尺寸为90× 120×90×120×5（单位：mm）；端墙横梁采用［20a－Q345热扎槽钢，折棚立柱与外端门口做成一体，能够提高车体的抗扭刚度。

1.4 侧墙钢结构

侧墙钢结构主要由侧墙板、窗及侧墙骨架等部分组成。侧墙板采用Q355 GNH高耐候钢板压轧成通长板，由于设备宽度尺寸限制，宽度方向由两块通长板拼焊成一体。采用乙型立柱和横梁不仅可以增加侧墙的垂向刚度、提高侧墙板的平面度。

1.5 车顶钢结构

车顶钢结构组成主要由车顶板、车顶骨架、空调平顶及空调端顶组成。车顶骨架由弯梁和纵梁焊接成型，骨架和车顶板材质均选用Q355GNH材质。在水箱位置设置活盖，为了美观，活盖设计为下沉式结构；在空调安装位置设计平台，平台由横梁和纵梁焊接成框架结构，即有足够的强度，同时又满足空调安装的需要。

2 设计的难点及解决措施

2.1 车体强度问题

在对比国内25T型客车、相关标准及结构力学分析计算的基础上，将材料全部提升为Q355GNH或Q345，这样在结构受力计算时，首先保证材料有足够的强度；在结构方面，将端角柱设置为90×120×90×120断面结构，将外端横梁设计为80×120的方型梁，提升外端钢结构自身的受力能力，有效传递车端压缩载荷。

2.2 车体刚度和共振问题

由于本车车体尺寸较小，又要满足轻量化的要求，车辆运行速度较高，易产生共振。本设计适当的加大侧墙板侧的立柱和横梁的翻边宽度，在侧墙的四角门位置采取方形梁门框结构，在车顶结构中适当的强化车顶骨架的强度，车顶、侧墙、底架的骨架形成完整的环状结构等措施，提高整车的刚度，提升车底的振动频率。

3 车体有限元计算

3.1 计算模型的建立

伊拉克内燃动车组项目客车车体结构在横向和纵向都不具有完全的对称性，计算采用整车计算模型。选用板壳单元对车体结构进行离散化处理。车体有限元力学计算模型中有627 229个壳单元、150 244个质量单元、14 588个梁单元、10 193个刚性单元、18 524个体单元和539 030个节点。图2为离散后的车体结构有限元计算模型。

3.2 计算工况

依据标准EN 12663中P－II的要求，可以确认以下计算工况：

（1）静态纵向载荷

①车钩纵向中心线的压缩力：1、2位端部分别施加1 500 k N的纵向压缩载荷；

②车钩纵向中心线的拉伸力：1、2位端部分别施加1 000 k N的纵向拉伸载荷；

③端墙1、2位端地板面上方150 mm处的整个宽度的条形区域上施加400 k N纵向均布载荷；

④端墙1、2位端侧窗下窗框上（及腰部）施加300 k N均匀纵向载荷；

⑤端墙1、2位端车顶端部施加300 k N的纵向压缩载荷；

（2）垂向载荷

①最大垂向载荷

当安置在标准支座上时，在车体结构上施加整备状态下车体质量1.3倍的载荷。

其中M1为整备状态下车体的质量，kg；M4为最大有效载重，kg。

②带有两个转向架的起吊

垂向载荷：1.1×（M1＋2×M2）×g

其中M2为转向架的质量，kg。

③通过内架车垫板架车

垂向载荷：1.1×（M1＋2×M2）×g

（3）合成载荷

①1 500 k N纵向压缩＋（M1＋M4）×g；

②1 000 k N的纵向拉伸＋（M1＋M4）×g。

（4）车体模态分析

空载状态下与超载状态下车体一阶垂向弯曲自振频率与转向架点头和浮沉振动频率（最大值2 Hz）的比值大于1.4。

3.3 计算结果

（1）钢结构有限元计算结果中部分应力值大的工况如下：

工况1——最大垂向均布载荷：最大应力为126.3 MPa，出现在第2个与第3个侧窗窗角蒙皮处，该处材料的屈服强度为355 MPa。

工况2——纵向压缩＋垂向载荷合成：最大应力为197.9 MPa，出现在车顶水箱座处弯梁处，该处材料的屈服强度为345 MPa。

工况3——纵向拉伸＋垂向载荷合成：最大应力为164.8 MPa，出现在波纹地板处，该处材料的屈服强度为355 MPa。

工况4——地板顶部上方150 mm处压缩工况：最大应力为336.6 MPa，出现在端墙门立柱处，该处材料的屈服强度为345 MPa。

工况5——腰部高度纵向压缩工况：最大应力为340.2 MPa，出现在端墙门立柱处，该处材料的屈服强度为345 MPa。

工况6——车顶边梁处纵向压缩工况：最大应力为189.9 MPa，出现在空调平顶下纵梁处，该处材料的屈服强度为345 MPa。

计算结果表明，部分窗角、枕内波纹地板、端角柱位置应力较大，端角柱的强度余量较小，其余的强度余量较大。

（2）空载状态下车体一阶垂向弯曲的自振频率为11.481 Hz，一阶扭转的自振频率为14.267 Hz；超载状态下车体一阶垂向弯曲的自振频率为10.179 Hz，一阶扭转的自振频率为14.267 Hz。

计算结果表明空载和超载状态下一阶垂向弯曲满足不低于1.4倍转向架的最大点头（1.29 Hz）和浮沉（1.09 Hz）振动频率的要求。

4 车体钢结构试验

根据EN 12663标准规定制定的相关试验工况，试验结果中应力值较大的工况如下：

工况1——垂向载荷试验工况：在垂向载荷1.3（m1＋m4）下，车体的最大应力值发生在1位侧十号窗左上角，应力值为77.7 MPa，该处材料的屈服强度为345 MPa。

工况2——车钩区域1 500 k N纵向压缩载荷＋垂向载荷m1＋m4：该工况下车体最大应力值出现在2位枕梁内侧第3横梁波纹地板处，应力值为－303.7 MPa，该处材料的屈服强度为355 MPa。

工况3——车钩区域1 000 k N纵向拉伸载荷＋垂向载荷m1＋m4：该工况下车体最大应力值出现在2位枕梁内侧第3横梁波纹地板处，应力值为216.5 MPa，该处材料的屈服强度为355 MPa。

工况4——侧墙上边梁高度300 k N纵向压缩载荷＋垂向载荷m1：该工况下车体最大应力值出现在1位角侧门处，应力值为－152.6 MPa，该处材料的屈服强度为345 MPa。

工况5——端墙的地板上方150 mm处400 k N纵向压缩载荷＋垂向载荷m1：该工况下车体最大应力值出现在1位角侧门处，应力值为－152.6 MPa，该处材料的屈服强度为345 MPa。

工况6——端墙的腰带高度300 k N纵向压缩载荷＋垂向载荷m1：该工况下车体最大应力值出现在1位角侧门处，应力值为－88.7 MPa，该处材料的屈服强度为345 MPa。

计算结果表明，枕梁内波纹地板的强度余量较小，部分窗角、立柱位置的强度余量较大。

5 有限元计算与试验结果的对比

因为计算建立的模型较理想，各组合、结构相对较完善，然而实际制造过程中可能出现不同的缺陷或异常，导致计算应力与试验应力不一致，主要原因分析如下：

（1）制造误差：由于车体允许的制造误差较大，造成结构刚度不同，从而影响了应力的分布，使试验应力在对称结构上不一致，而计算应力却是一致的。

（2）材料缺陷：由于车体板厚的不同、机械性能的差异，导致试验应力出现偏高或者偏低的现象。

（3）焊接原因：由于焊接变形、焊接应力、焊缝本身的缺陷等原因，导致应力分布不均匀。

6 结 论

通过结构设计、车体钢结构有限元分析及静强度试验验证，得到以下结论：

（1）客车车体钢结构强度满足EN 12663－1：2010的P－Ⅱ类要求；设计结构合理，各受力部位的强度余量富裕；

（2）在车体长度一定的情况下，车体的断面结构决定了车体钢结构的垂向刚度；

（3）计算与试验结果的幅值有一定的差别，但应力的变化趋势相同。

［1］ 大连交通大学.伊拉克项目DMU拖车车体钢结构静强度计算分析报告［R］.2013.

［2］ 齐齐哈尔北车铁路车辆技术开发有限公司.拖车车体钢结构静强度试验报告［R］.2013.

［3］ 南车四方车辆有限公司.DMU拖车车体钢结构静强度试验大纲［R］.2013.

［4］ EN 12663.铁路应用铁路车辆车体结构要求［S］.2010.

Design of Car Body Structure Based on EN Standard

ZHOU Jialin，MA Kai
（CSR Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111 Shandong，China）

This paper briefly presents the structural characteristics and parameters of DMU coach，and expatiates the structure design，material selection and strength analysis of the car body.Static strength analysis and evaluation of the car body are made in accordance with the standard EN 12663－2010：Railway applications-structural requirements of railway vehicle bodies.

EN standard；car body；structure design；finite element；strength

U271

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.08

1008－7842（2014）06－0036－03

2—）男，高级工程师，（

2014－04－28）