軌道交通車輛車體結構輕量化設計探析

張永貴 于兆華

摘要：隨著技術的不斷創新，人們生活水平的提高，人們對物質的要求越來越高。就衣食住行中的行方面，技術不斷革新：火車、汽車、磁懸浮列車等車輛的運行性能越來越高。到目前為止，就軌道交通車輛而言，技術研究人員對車體結構的輕量化進行了設計探析。本文就軌道交通車輛車體結構輕量化的設計方式及實施進行分析。

關鍵詞：軌道交通車輛;車體結構;輕量化設計

1 ?結構輕量化的作用

優化是指在保證既有功能不變的情況下，對原有的系統、技術進行完善或者革新，使其更加符合社會生產要求。而車體結構輕量化就是通過對車體結構的優化，使其在相同的載荷邊界條件下下，具有更輕的重量，使軌道交通車輛的啟停更迅速，能耗更低。通過科學有效的方法，在設計的變量中選取最佳結果，實現車體結構最佳。

2 ?車體輕量化的設計策略

2.1 科學選取最佳變量

板梁結構是車體設計中最關鍵的環節。因為板單元的受力較大，多更用于構建車體的大梁，而梁單元作為小梁形成要素之一，同時夾雜著焊接技術。車體的大致結構是結合多年來設計、試驗驗證確定的結果，因此在車體結構輕量化的過程中車體的梁柱布置不做變動。主要通過高新技術將搭建車體結構的材料進行重量減輕工作并且不影響車體的承重情況。以優化局部板梁厚度為主要工作，梁單元因結構承重考慮不做消除厚度處理。

2.1.1 分組優化

在做車體結構輕量化處理過程中，選擇進行輕量化的結構越多，則輕量化結果越顯著。但是隨著輕量化的結構單元越來越多，會使輕量化過程變得復雜，導致輕量化過程效率降低。所以在輕量化過程中，將所需要的輕量化的結構進行分組優化，根據厚度的異同劃分組別，需要注意的是整體的板與梁結構不能分離開來優化，提高輕量化的工作效率。對整體結構質量較重的單元需要著重注意，質量較小的單元也要考慮其受力情況及敏感程度的分析。在進行輕量化過程之前，將車體的各個數據進行詳細綜合的分析，選取最佳的變量結果，力求在輕量化過程后到達理想的結果。

2.1.2 進一步劃分變量

結合初始變量進行優化計算，得到了初步優化結果和各變量的靈敏度。首先要進一步調整變量的上下限，并考察各變量所對應結構的質量變化情況;對于應力分布不均或者質量增大的組件，還需要結合靈敏度分析結果（其中包括變量對目標函數和所有約束函數的靈敏度）來進一步劃分。通常情況下，初步優化后車體上還會存在多處應力集中，這不僅影響優化結果，還使得優化過程變得更加復雜。本文將使用一種應力集中處理辦法來消除應力集中，并將優化變量進一步細化。

2.2 輕量化過程遇到的約束

輕量化過程旨在減輕車體重量，使其在軌道交通車輛啟停、能耗等方面更加優秀。但不是為了減重而減重，在輕量化過程中會有邊界約束條件，如車體的強度、剛度、模態及防碰撞能力等。并且“一千個人中有一千個哈姆雷特”，汽車的生產雖然已經進入工業化生產，但是每個車體之間仍然有所差異，所以在設計過程中數據不是一個固定的數，而是一個范圍數。

軌道交通車輛車體強度涉及拉伸、壓縮、扭轉等多個載荷工況，在輕量化過程中，需要將多個載荷工況統籌考慮。但是如果將所有載荷工況一塊考慮，那么勢必會增加輕量化過程的任務量和難度。研發人員在輕量化過程中發現，將最苛刻的載荷工況進行輕量化優化后，其他載荷工況也將基本符合輕量化設計的要求。啃掉最難的骨頭，其他迎刃而解。

2.3 應力集中限制

因車體輕量化過程受到強度和剛度的限制，而強度和剛度問題往往伴隨著應力集中問題，其中大應力值會遠大于材料允許的應力值。在諸多的輕量化實驗中發現，應力集中問題比較難解決，尤其是在含有焊接單元的部分。應力集中問題往往會造成焊接單元在輕量化過程中失敗的結果。

因此，在焊接單元部分著重注意應力集中問題，研發人員在經過諸多實驗后發現了解決焊接單元應力集中的方法。如圖1所示。

首先，對焊接單元部分進行深入研究，采取更加精密的焊接單元以及對需要焊接的周圍部件進行網格優化，然后模擬輕量化過程，進行數據對比。研究數據表明在焊接單元部分的應力集中問題可以消除。然后對焊接單元的周圍進行二次優化，可以消除大部分應力集中問題，使模型的車體結構更加貼近真實的車體結構。應力集中問題可以得到最大可能的解決。

在經過上述操作后，個別應力集中點仍然存在，大都出現在尖角、孔洞、缺口、溝槽處及其單元部分周圍。這種情況下，就需要設計者根據設計經驗對連接部位進行優化以消除應力集中。

3 ?總結語

總之，本文通過分析，針對軌道交通車體結構的特點、靈敏度分析，通過分組、確定設計變量等策略探討了如何實現軌道交通車體結構的輕量化設計，希望對軌道交通的高效運行以及科學設計方案制定有所幫助。在未來，軌道交通運用日益廣泛背景下，輕量化設計也會越來越科學、高效，為軌道交通事業的進一步發展奠定基礎。

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作者簡介：張永貴（1984-），男，山東日照人，碩士研究生學歷，高級工程師。