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浅谈高铁动车车体设计

发表时间：2021/4/14 来源：《中国科技信息》2021年4月作者：王利忠

[导读] 在高速动车迅猛发展的今天，通常在高速动车停靠的站台上，我们总能看到乘客与高速列车拍合影的情景。当然，外形美观而大方、服务设施一流而日趋人性化完美设计的高速列车，有足够的资本享受人们的喜爱。而漂亮外观的高速列车绝不仅仅是单纯的美术品。

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摘要：在高速动车迅猛发展的今天，通常在高速动车停靠的站台上，我们总能看到乘客与高速列车拍合影的情景。当然，外形美观而大方、服务设施一流而日趋人性化完美设计的高速列车，有足够的资本享受人们的喜爱。而漂亮外观的高速列车绝不仅仅是单纯的美术品。高铁动车的车体，既能够为乘客提供安全乘坐空间，又能够为动车牵引、制动、受流等系统提供安装基础的载体。与一般的列车车体相比，高速动车车体在材料、外型、结构、气密性等多方面都有着自己独到的选择和设计。
关键词：高速列车铝合金列车速度阻力、车体材料
        目前世界上，铝合金是绝大多数高速列车车车体选用的材料。我国的高速列车也同样如此。早期的高速列车车体材料因受国际价格、成形、焊接工艺技术制造等因素制约，而选择采用耐候钢材料。然而，伴随列车运行速度进一步的提高，由于动车运行而引起的振动和噪声，通过高速车辆轻量化减振降噪成为一个不可回避的技术问题。在高速车辆的重量中，车体所占比例最大，因此，使车体轻量化，对减轻高速列车整体重量的效果也最明显。轻量化的主要好处：一是节能；二是减小对轨道的损坏；三是减轻因振动引起的噪声，改善环境。也就是说，高速列车运行时列车体重越轻，其牵引和制动所消耗的能量就越少。同样，列车速度越高、重量越大，对铁路轨道的损坏程度也越大，车轮在轨道上滚动产生的振动及噪声也就越大。因此，减轻车体重量是提速的重中之重的措施。
        随着科研技术水平的不断提高，铝合金材料已经可以达到和钢同等程度的机械强度要求，采用铝代替钢铁材料已经成为现实。较钢制车体，采用铝合金主体，车体重量可减轻30% ～ 40%。而且，铝合金具有良好的塑形性能，容易挤压成形，可以根据车体结构优化设计的线体要求，挤出各种形状复杂的铝型材，从而使制造工艺变得如此简单，并且节省加工费用。另外，铝合金车体还有耐腐蚀、外表平滑且美观的优点。车体外形及结构
        高速列车车体大致分两种：头车车体和中间车体。它们都是由底架、侧墙、车顶和端墙组成的，头车车体还多一个司机室头部结构。
        高速列车车体结构断面呈鼓形的筒体承载体，即车顶为圆弧形，侧墙下部向内倾斜 5° 左右，并以圆弧过渡到底架，侧墙上部向内倾斜 3° 左右，并以圆弧过渡到车顶。
        众所周知，空气阻力是制约列车高速运行的主要因素。即阻力与速度成平方正比关系，也就是说，假如列车运行速度提高到原来的 2 倍，空气阻力将增至原来的4 倍。
  空气阻力主要由三部分组成：一是列车车头迎风受到的正面阻力压力，列车尾部由于空气尾流引起空气稀薄而产生的向后的拉力，这样由于头部及尾部压力差形成的阻力称为压差阻力；二是由于空气黏性而引起的作用于车体表面的摩擦阻力；三是由车辆底架、车顶设备、门窗、车辆间连接风挡等车辆表面凹凸结构引起的干扰阻力。

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        高速列车车头之所以要设计成流线型，其主要目的是为了减小压差阻力。这个设计思想和飞机的外形设计差不多。当然，流线型也有各种式样，到底选何种车头形状更为合适？设计人员根据空气动力学原理，通过计算机空间仿真和车头模型风洞试验即让风对其迎头吹送，测试车体周围的气流、气动噪声、气动作用力等参数，用来决定最佳的车头流线型。而且，车体的美观大方也是设计人员必须兼顾考虑的必要因素。
        当你乘坐高铁动车时，站在站台上你稍微注意一下列车车体，就会发现它与普通列车的差异之处。车体表面非常光滑，凸出物非常少，如侧门采用塞拉门，扶手为内置式，脚蹬做成翻版式，使侧门关闭可以包住它，车辆连接处采用橡胶大风挡，与车身保持平齐。车体侧壁下方几乎没有凹凸不平之处，为避免底部各种装置的外露，采用与车身横断面形状相吻合的光滑平整的“车裙”——裙板遮挡住车下各种设备。车厢顶部的受电弓也用专门为它度身定制的导流罩保护起来。这一切的努力，主要都是为了减小由空气引起的摩擦阻力和干扰阻力。、车体气密性
        乘坐过飞机或高层建筑物电梯的人都有过这样的体验：当飞机降落或电梯由高层快速降至低层的时候，耳朵好像被什么东西堵塞住，并伴随有轻微的疼痛，感觉非常不舒服。这样的感受，在乘坐高速列车进入隧道时也会感到。这是由于外气压力的变化，使我们耳腔内侧的空气和外气形成压力差，使耳膜受到压迫，轻者感觉轻微疼痛，重者感觉头晕恶心。如果高铁列车因进入隧道内气压发生急速变化，严重者甚至使车内乘客有耳膜破裂的危险。为了避免这种状况发生，要求将列车内气压变化控制在一定范围内，其对策是将车体完全密封起来，这种结构称之为气密结构。
        要达到气密性标准，在高铁列车中采用了一系列密封技术。例如，车体结构焊接部位用密封胶密封；采用密封性好的固定式车窗；车辆间连接风挡、各种电缆管道、洗手间以及空调排水排污口都需要实施相应的密封措施；侧门采用密封式塞拉门等。另外，空调新风吸入和废气排放通路，必须考虑在外部压力变化对车内产生压差影响时，采取关闭或者自动控制调节措施。◇
        结论：高速列车是一个复杂的系统工程,车体作为其主要承载结构,除需要满足基本的强度和刚度要求外,还要考虑涉及空气动力学、多体动力学、碰撞安全性以及结构轻量化设计等多种学科问题。为了较系统全面的考虑列车运行过程中轻量化设计的车体所受到的气动载荷、轨道激励产生的随机振动载荷和车载设备及乘客产生的有效荷载等多种载荷综合作用时的结构动态性能的变化特征,针对具体结构提出了基于多学科的结构优化设计方法。我们根据高速列车空气动力学模型、刚柔耦合多体系统动力学模型、车体结构有限元模型以及多目标优化近似模型,计算分析车体结构多学科性能,利用多学科优化平台实现车体结构的多目标优化设计和研究，不断地改进，运用世界领先的设计方案，使高速动车车体无论从外观的感官要求还是对于速度的技术参数要求，不断地提升新纪元是我们的奋斗目标。
参考文献：
[1]刘钧，曾竟成，马良，等. 高速列车机车用复合材料车头盖的研制[J].纤维复合材料，2003（4）：36-38.
[2]李晓峰，孙博飞，高峰，等．动车组玻璃钢车头及联接结构建模方法研究[J].大连交通大学学报，2016，37（1）：36-39.