第3章 车体结构

第3章目录

3.1 高速动车组铝合金车体结构概论 (2)

3.1.1 车体承载结构特点 (2)

3.1.2 车体用铝合金材料 (2)

3.2 CRH2型动车组车体结构 (3)

3.2.1 车体结构及主要技术参数 (3)

3.2.2 车体结构特点 (3)

3.2.3 车体组成 (5)

3.3 车体气密性 (14)

3.3.1 车体气密性要求 (14)

3.4 车体强度设计 (14)

3.4.1 车体强度设计依据 (15)

3.4.2 车体结构强度计算分析 (15)

3.4.3 车体静强度试验结果 (15)

第3章车体结构

3.1高速动车组铝合金车体结构概论

高速动车组比传统机车车辆的运营速度有大幅度增加，这要求动车组车体结构的设计需考虑：

（1）为了减小空气阻力，车体外型需设计成流线型；

（2）为了提高乘坐舒适度，车体需采用气密结构；

（3）为降低能耗，车体需采用轻量化设计。

由于铝合金材料的密度低（只有钢材的1/3左右），重量较轻，具有强度大、刚度好的特点，所以在高速动车组车体上得到了广泛应用。

3.1.1车体承载结构特点

由于车体需要承受旅客的重量和各种设备的重量，以及动车组在运行过程中的纵向、横向、垂向和扭转等载荷，所以车体需有足够的强度和刚度。高速动车组车体采用铝合金筒形整体承载结构，能够达到必要的强度和刚度，同时实现结构轻量化。

筒形整体承载结构由很多轻便的纵向梁和横向梁组成封闭的环状骨架，并在外面焊接金属包板后形成承载结构。其中金属包板承担剪切载荷和拉伸载荷，骨架承担压缩载荷和弯曲载荷。

筒型铝合金车体结构的最大优点是工艺性好、减轻车辆自重、降低能耗、减少运行成本和维护成本。近年来车体大量采用大型、中空、薄壁的铝合金挤压型材，实现了纵向大幅度自动焊接工艺，提高了质量和生产效率。

3.1.2车体用铝合金材料

高速动车组铝合金车体材料主要有5000系、6000系和7000系。5000系合金是形变Al-Mg合金；6000系合金是形变Al-Mg-Si合金；7000系合金是形变Al-Zn-Mg合金。

3.1.2.1 CRH2型动车组车体用铝合金材料

CRH2型动车组车体用铝合金材料需具有强度高、焊接性好、挤压加工性能优、耐腐蚀性强等特性，主要采用了5000系合金的5083、6000系合金的6N01、7000系合金的7N01等。这些合金的主要机械性能如表3-1所示。

表3-1 CRH车体用主要铝合金材料主要机械性能

各种铝合金材料的具体技术特征如下：

（1）5083是焊接结构用铝合金，是非热处理合金中强度最大的高耐腐蚀性合金，适合于焊接结构。但挤压加工性较差，难以得到薄壁及中空型材。

（2）6N01是中等强度的耐腐蚀性铝合金，挤压加工性、加压淬火性均比较优良，能制造出复杂形状的大型薄壁型材，且耐腐蚀性、焊接性较好。

（3）7N01也是焊接结构用铝合金，其强度高，并且通过常温时效处理，焊接部分的强度能够恢复到

接近于母材的强度，耐腐蚀性好。

3.2CRH2型动车组车体结构

3.2.1车体结构及主要技术参数

CRH2型动车组采用4动4拖共8辆车编组形式，车体结构主要分为头车车体和中间车车体两种。头车车体由底架、侧墙、车顶、端墙、车体附件及司机室头部结构组成，中间车车体由底架、侧墙、车顶、端墙及车体附件组成。车体重量见表3-2，车体的主要技术参数见表3-3。

表3-2 CRH2型动车组各车辆车体重量表

表3-3 CRH2型动车组车体主要技术参数

3.2.2车体结构特点

以中空型材为主构成的车体结构称为双壳结构。双壳结构相对于单壳结构，车体质量稍重。但中空型材具有截面刚度高的特性，可以去掉在单壳结构中必须使用的加强材，从而减少零件数量，降低成本。但过度追求高速动车组的轻量化将对乘坐舒适性和列车空气动力学性能有不利影响。近年来，由于更加重视乘坐舒适性，车体结构也不单纯追求轻量化，而是合理控制车体结构的重量。因此，高速动车组的车顶及侧墙部车体结构均开始使用双壳结构，适当增加车体重量以改善车辆的舒适性。

双壳结构型材带有中空腔，典型结构如图3-1所示侧墙顶部型材。地板采用单壳结构型材，结构如图3-2所示。CRH2型动车组车体即采用此种双壳结构，结构如图3-3所示。

图3-3 双壳车体结构

CRH2型动车组车体结构具有以下特点：

（1）车体断面：宽幅车体，车体横断面最大宽度为3380mm，高3700mm，地板面距离轨面为1300mm，设备仓底罩距离轨面为200mm。具体车体横断面尺寸如图3-4所示。

（2）车体结构采用双壳结构，大幅减少零件数量，虽相对于单壳结构较重，但其刚性高，降噪效果好，乘车舒适性提高。

（3）质量比钢制车体轻，大幅降低轴重，从而降低运营成本。

（4）车体使用铝合金材料，可回收，对环境损害低，寿命周期成本低。

（5）防腐性好，可以实现无涂装设计。

（6）采用不燃性材料，防火性能好。

（7）能扩大自动化焊接范围，提高生产效率，降低制造成本，提高质量。

（8）在部分中空铝型材的中空空腔内部贴有防振材料以达到隔音减振的目的。

3.2.3车体组成

CRH2型动车组车体主要由底架、侧墙、车顶、端墙、车体附件（车下设备舱、前罩开闭装置和前头排障装置）等组成（头车还包括司机室头部结构）。下面针对各大部件组成对CRH2型动车组车体主要结构进行说明。各型车体根据其功能、附属设备等不同而在车体结构上不尽相同，但其主要结构形式类似。

过枕梁等结构传递到整个车体结构，实现整体承载。从板座与牵引梁采用铆接联结，并在车钩缓冲装置对应的牵引梁相应部位进行局部加强。牵引梁结构简图如图3-9所示。

底架横梁

特殊螺栓安装切口

特殊螺栓

特殊垫圈

垫板

（特殊螺拴定位）

的联结采用车内侧、车外侧连续焊接，侧墙和底架边梁之间的联结采用车内侧段焊结构，车外侧为连续焊接。

在行李架、侧顶板及侧墙板等安装位置，在挤压型材上设置了通长的T型槽，便于内装部件的安装。为了确保侧拉门的拉开空间，侧墙门口处设计成一体化带棱的箱形结构，如图3-14所示。侧墙下部设置

块通长板组成，均通到外端与端墙搭接。窗口部分根据窗的安装结构关系焊接窗安装座。窗口部分结构简图如图3-15所示。

图3-15 窗口部分结构简图

图3-16 门区部分结构简图

门区部分即侧门出入口部分，根据门口与外端距离的大小分成板梁式结构和板梁加中空型材两种形式。门区部分结构简图如图3-16所示。

3.2.3.3车顶

车顶是车体上部结构，是受电弓、高压电缆等车顶设备的安装基础。CRH2型动车组车体车顶由大型中空挤压型材构成，结构断面如图3-17所示。头车和中间车车顶结构相同但纵向长度不同。车顶型材之间的焊接采用在车体长度方向连续焊接。车顶和侧墙的连接采用车内侧、车外侧连续焊接结构。

根据车型的不同，在车顶根据受电弓、车顶电缆等设备焊接车顶焊接件，适应其安装。根据设备件的安装位置焊接车内骨架。另外，在车顶板内侧，铺设有隔音和隔热材料。

图3-17 车顶结构断面

3.2.3.4端墙

头车车体一侧带有端墙，中间车两侧均带有端墙。

端墙根据车辆卫生间和洗脸间的布置主要分为两种结构形式，即分体式和整体式两种，见图3-18。在端部设有卫生间和洗脸间的车辆，其端墙是分体式结构，外板上设有用于搬运卫生间玻璃钢模块的开口，搬运完后，用螺栓安装由铝板和铝型材骨架组焊接而成的闭塞板，并填充密封材料保持气密性。端部未设卫生间和洗脸间的车辆，其端墙是整体式结构，为铝板和铝型材骨架构成的焊接结构。

分体式和整体式外端墙都在外端骨架上设置了适合风挡安装的结构，可以采用螺栓快速联接，使风挡的安装方便快捷，大大降低了施工时间及劳动强度。另外，端墙上还设有登车扶手。

分体式整体式

图3-18 端墙结构

3.2.3.5司机室头部结构

CRH2型动车组头车车体前端为司机室头部结构，它以骨架外壳结构为基础，如图3-19所示。头部结构按车头断面形状变化将纵骨架形成环状，与横向骨架叉接组焊，骨架外焊接铝板。对需要更高强度的部位，采取增加板厚、缩小骨架间距、增加加强材等措施。整个头部结构焊接严格要求气密性，结构上适应配线、配管及内装需要。

图3-19 司机室头部结构骨架

头部结构形状对列车运行的空气阻力、气动噪音、列车交会压力波、隧道微气压效应及移动压力场等影响较大，是影响列车空气动力学性能的关键因素。

CRH2型动车组头部结构设计利用现代的流场计算CFD软件进行三维建模分析，并进行模型的风洞试验和三维隧道驶入分析。为使动车组有良好的空气动力学性能，主要为降低空气阻力及交会压力。此外，高速动车组除了考虑空气动力学的影响，还主要考虑侧风和车下风阻的影响，因此在设计车体断面时要考虑整个侧墙及车顶的光滑性和圆弧过渡，在设计车体的下部设备舱的时候要考虑裙板的位置及圆弧过渡等。CRH2型动车组较好地考虑了空气动力学的综合影响，实车试验表明动车组车体有良好的空气动力学性能。

3.2.3.6车下设备舱

出于保护设备及改善列车空气动力学性能的考虑，CRH2型动车组设有车下设备舱。设备舱主要由侧盖板、盖板安装件和托座等组成，如图3-20所示。

侧罩由铝合金型材和板材等组装而成，通过螺栓连接到底架上。侧罩在车长方向分块组装，根据车下设备的需要，不同的部位设有通风口和检查门。

底部封板主要结构为波纹状，材料为不锈钢，封板的两侧为直接翻边，并用连接件固定，以增加两侧的强度和刚度。封板两端用螺栓与连接梁连接。

连接梁采用铝合金型材，横向连接梁通过过渡件与侧罩连接，垂向连接梁上部与底架横梁、下部与横向连接梁通过螺栓连接在一起。

图3-20 车底盖板构造图

3.2.3.7前罩开闭装置

CRH2型动车组头车设有前罩开闭装置，如图3-21所示。该装置可通过自动控制实现开闭，在打开状态下可以露出车钩装置，完成车辆联挂。整个装置由玻璃钢前罩、前罩动作部分构成。玻璃钢前罩分左右，闭合后外形圆滑过渡。前罩动作部分采用气缸驱动，气缸分开闭气缸和锁紧气缸，开闭气缸完成前罩开闭动作，锁紧气缸完成对机构的锁固，维持开闭状态。

3.2.3.8前头排障装置

CRH2型动车组在头车车体的前端设置结构坚固的排障装置。该装置能在排障时撞飞障碍物，绝不允

许卷入物品钻入转向架下。出于保护车体及人员安全目的，即使造成装置损坏也要保证车体不受损或轻微受损，以降低铁路运营高速化后冲击障碍物对列车带来的风险。

如图3-22所示，排障装置由排障板、排障橡胶安装、排障板盖板、缓冲板、缓冲板支撑、缓冲板安装座等部件组成。其中抗冲击结构外板为钢板制成的排障板，在排障板前端下缘设排雪犁。排雪犁的下部装有辅助排障橡胶，起辅助清扫轨面作用。缓冲板是铝板叠层结构，装在排雪犁的后方，可以通过自身的变形吸收冲击能量。

3.3车体气密性

3.3.1 车体气密性要求

高速列车在隧道内高速运行以及列车交汇时，车体结构上要承担较大的交变压力载荷。同时这种压力变化会引起车内的压力变化，从而使乘客耳朵产生耳鸣、疼痛感，严重时甚至会击穿耳膜。因而高速车辆

须保证良好的气密性。高速车辆的车体结构中，应该采取密封处理的部位必须采用全面连续焊接或打密封胶，并能够承受由压力变动而形成的反复应力。

CRH2型动车组车体结构的气密耐压载荷为8kPa。侧墙及车顶结构采用通长中空大型铝型材构成，外部采用气密焊接保证其气密性。实车试验表明CRH2型动车组车体有良好的气密性。

3.3.2 车体气密性试验

车体气密性试验为例行试验，目的是研究评价车体组焊完成后是否满足气密要求。

列车在高速运行时，车体四周要不断承受正负气压。不同运行速度承受的气压值不同。CRH2型动车组要求运行速度为200km/h，试验载荷规定为4kPa。如试验发现有漏气现象，漏气部位可通过加焊或涂抹密封胶等措施处理。

气密试验考核指标为车内压力从4kPa降至1kPa所需时间t（衡量标准值t≥50s）。CRH2型动车组各车辆试验测得所需时间均大于100s ，满足气密性要求。

3.4车体强度设计

3.4.1 车体强度设计依据

CRH2型动车组车体结构强度按照JIS E 7105《铁道车辆车体结构的载荷试验方法》进行设计，同时考虑了我国车辆的实际运用情况，每定员载荷为80kg。

针对各载荷工况：车体以下部位存在较高应力：

①垂直载荷工况：集中在枕梁上部的侧窗开口角部。

②车端压缩载荷工况：在牵引梁车钩的安装部周围、牵引梁与枕梁的结合部位、端部底架与中央底架的结合部位。

③扭转载荷工况：在枕梁上部的侧窗开口角部。

④三点支持工况：在顶车位、顶车位上部的侧墙的下墙部及侧窗开口角部。

⑤气密载荷工况：在侧窗开口角部与窗间部位、侧墙的车檐部、侧墙的下墙与侧梁结合部、单壳车体结构的侧墙支柱上下端部。

3.4.2 车体结构强度计算分析

车体结构的强度分为承受垂直载荷、车端压缩载荷等的静态强度以及承受垂向振动、气密交变载荷等的动态强度。静强度计算以材料弹性极限为标准值，动态强度以材料的疲劳强度为标准值。在工程实际中，评估动态强度时的应力是加载交变载荷的最大应力。为此，动态强度也可以参照静态强度的评估方法，可以将发生附加载荷的应力与标准值相比较，由此来进行评估，即采用“动化静”的方法。

CRH2型动车组选择了1号车(T1C)、6号车(M2)和7号车(M1S) 3个车种进行强度验证分析。T1C车车体有限元分析模型如图3-23。

图3-23 T1C车车体有限元分析模型

通过分析计算，CRH2型动车组车体结构满足强度、刚度要求。

3.4.3 车体静强度试验结果

车体结构载荷试验目的是确认车体结构是否具有足够的强度及刚度。CRH2型动车组车体结构强度试验参照JIS E 7105《铁路车辆车体结构的载荷试验方法》执行。

试验时应力测点布置应着重注意在应力集中部位、设计改进部位和常规部位。即主要考察车体结构开口部位、车头安装部位、顶车部位以及通过有限元分析显示高应力部位。

以T1C车车体静强度试验结果为例进行说明。垂直载荷试验测得应力最大点在靠近2位端枕梁内侧左上角窗口部。这说明垂直力的作用下，靠近枕梁附近的窗口角部容易产生应力集中，因而窗口部应该是车体结构设计重点考虑的部位。车端压缩载荷试验测得应力最大点在牵引梁截面变化部位且靠近车钩从板座附近。这说明车体纵向的载荷引起的最大应力部位在缓冲梁附近。牵引梁也是结构强度校核的重要部位。

扭转载荷试验测得应力最大点在车体纵向中心附近的窗口角部。3点支撑试验测得应力最大点也在枕梁内侧附近的窗角部。各种试验刚性也满足JIS E 7105要求。总上所述，试验是评价、检验、指导设计的重要依据，高速车项目更要重视试验，使试验结果更好地反馈到设计当中，让试验更贴近现实。

城市轨道车辆车体分析和结构说明

城市轨道车辆车体分析和结构说明 姓名：学校：学号：班级： 内容摘要 文章简要地从车体的结构、材料和车体与限界的关系三个方面分析讨论了车体截面形状的合理性，车体结构形式和车体材料的合理选择以及车体对限界的部分影响。 关键词：车体结构车体材料限界 引言 车体是车辆中装载乘客的部分，它也是司机驾驶列车的场所，属车辆的上部结构。其底架下部及车顶上部要安装大量机电设备，构成车辆主体。 车体与乘客的安全与舒适息息相关，故车体是车辆的重要部件之一。它要承载各种静动载荷、各种振动，适应最大运行速度；还要隔音、减振、隔热、防火，并在事故状态下尽可能保证乘客安全。 一、车体结构 （一）车体的形状分析 > 在我们分析研究车体时，首先我们要对车体有一个比较宏观的把握。那么车体首先给人的第一印象就是它的形状。我们通常见到的车体，其横截面都是方形的，顶部是个圆弧。那为什么是这种形状而不是别的形状呢 我们先来假设一下，看别的形状是否可行。我们知道，在周长相等的情况下，圆的面积是最大的。那我们把车体做成一个圆柱是否可行呢 对于货运车，货物是可以有效利用所有的有效空间的。但是城市轨道交通主要是用于客运的。人不同于货物，人不可能堆叠起来，不可能使车辆的空间利用率达到最大，因而用圆形车体是毫无意义的。 同时，圆形车体对于加工墙体和车顶都带来了极大的难度，对侧墙和车顶的设备安装增加了很大难度。与此同时，这样形状的使得车辆限界增大，对道路的要求更高。因此不仅对施工增加了难度，还使得施工的成本增大。 综上所述，这种百害而无一利的形状被抛弃，而使用了现在的车体形状。圆弧的顶更好地契合设备限界，竖直的墙更符合其应用，也更容易加工。 （二）车体的主要组成 1、车顶

CRH2型动车组车体结构概述

CRH2型动车组车体结构概述 高速动车组比传统机车车辆的运营速度有大幅度增加，这要求动车组车体结构的设计需考虑： (1)为了减小空气阻力，车体外形需设计成流线型； (2)为了提高乘坐舒适度，车体需采用气密结构； (3)为了降低能耗，车体需采用轻量化设计。 由于铝合金材料的密度低(只有钢材的l/3左右)，质量较轻，具有强度大、刚度好的特点，所以在高速动车组车体上得到了广泛应用。 3.1.1车体承载结构特点 由于车体需要承受旅客的质量和各种设备的质量，以及动车组在运行过程中的纵向、横向、垂向和扭转等载荷，所以车体需有足够的强度和刚度。高速动车组车体采用铝合金筒形整体承载结构，能够达到足够的强度和刚度，同时实现结构轻量化。 筒形铝合金车体结构的最大优点是工艺性好、减轻车辆自重、降低能耗、减少运行成本和维护成本。近年来车体大量采用大型、中空、薄壁的铝合金挤压型材，实现了纵向大幅度自动焊接工艺，提高了质量和生产效率。 3.1.2车体用铝合金材料 高速动车组铝合金车体材料主要有5000系、6000系和

7000系。5000系铝合金是变形铝一镁系合金；6000系铝合金是变形铝一镁一硅系合金；7000系铝合金是变形铝一锌系合金。 CRH2型动车组车体用铝合金材料需具有强度高、焊接性好、挤压加工性能优、耐腐蚀性强等特性，主要采用了5000系的5083、6000系的6N01、7000系的7N01等。这些合金的主要机械性能如表3.1所示。 表3.1CRH2型动车组车体用主要铝合金材料主要机械性能 各种铝合金材料的具体技术特征如下： (1)5083是非热处理合金中强度最大的高耐腐蚀性合金，适合于焊接结构。但其挤压加工性较差，难以得到薄壁及中空型材。 (2)6N01是中等强度的耐腐蚀性铝合金，挤压加工性、加压淬火性均比较优良，能制造出复杂形状的大型薄壁型材，且耐腐蚀性、焊接性较好。 (3)7N01也是焊接结构用铝合金，其强度高，并且通过

第3章 车体结构

第3章目录 3.1 高速动车组铝合金车体结构概论 (2) 3.1.1 车体承载结构特点 (2) 3.1.2 车体用铝合金材料 (2) 3.2 CRH2型动车组车体结构 (3) 3.2.1 车体结构及主要技术参数 (3) 3.2.2 车体结构特点 (3) 3.2.3 车体组成 (5) 3.3 车体气密性 (14) 3.3.1 车体气密性要求 (14) 3.4 车体强度设计 (14) 3.4.1 车体强度设计依据 (15) 3.4.2 车体结构强度计算分析 (15) 3.4.3 车体静强度试验结果 (15)

第3章车体结构 3.1高速动车组铝合金车体结构概论 高速动车组比传统机车车辆的运营速度有大幅度增加，这要求动车组车体结构的设计需考虑： （1）为了减小空气阻力，车体外型需设计成流线型； （2）为了提高乘坐舒适度，车体需采用气密结构； （3）为降低能耗，车体需采用轻量化设计。 由于铝合金材料的密度低（只有钢材的1/3左右），重量较轻，具有强度大、刚度好的特点，所以在高速动车组车体上得到了广泛应用。 3.1.1车体承载结构特点 由于车体需要承受旅客的重量和各种设备的重量，以及动车组在运行过程中的纵向、横向、垂向和扭转等载荷，所以车体需有足够的强度和刚度。高速动车组车体采用铝合金筒形整体承载结构，能够达到必要的强度和刚度，同时实现结构轻量化。 筒形整体承载结构由很多轻便的纵向梁和横向梁组成封闭的环状骨架，并在外面焊接金属包板后形成承载结构。其中金属包板承担剪切载荷和拉伸载荷，骨架承担压缩载荷和弯曲载荷。 筒型铝合金车体结构的最大优点是工艺性好、减轻车辆自重、降低能耗、减少运行成本和维护成本。近年来车体大量采用大型、中空、薄壁的铝合金挤压型材，实现了纵向大幅度自动焊接工艺，提高了质量和生产效率。 3.1.2车体用铝合金材料 高速动车组铝合金车体材料主要有5000系、6000系和7000系。5000系合金是形变Al-Mg合金；6000系合金是形变Al-Mg-Si合金；7000系合金是形变Al-Zn-Mg合金。 3.1.2.1 CRH2型动车组车体用铝合金材料 CRH2型动车组车体用铝合金材料需具有强度高、焊接性好、挤压加工性能优、耐腐蚀性强等特性，主要采用了5000系合金的5083、6000系合金的6N01、7000系合金的7N01等。这些合金的主要机械性能如表3-1所示。 表3-1 CRH车体用主要铝合金材料主要机械性能 各种铝合金材料的具体技术特征如下： （1）5083是焊接结构用铝合金，是非热处理合金中强度最大的高耐腐蚀性合金，适合于焊接结构。但挤压加工性较差，难以得到薄壁及中空型材。 （2）6N01是中等强度的耐腐蚀性铝合金，挤压加工性、加压淬火性均比较优良，能制造出复杂形状的大型薄壁型材，且耐腐蚀性、焊接性较好。 （3）7N01也是焊接结构用铝合金，其强度高，并且通过常温时效处理，焊接部分的强度能够恢复到