动车组车体三维设计

1、毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解 兰州交通大学 有关保留、使用毕业设计（论文）的规定。特授权 兰州交通大学 可以将毕业设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交设计(论文)的复印件和电子文档。（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权说明）毕业设计（论文）作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 本科毕业设计(论文)动车组车体三维设计EMU Body Three-dimensional Design摘 要近年来，随着中国国民经济水平的提

2、高，人们对列车的运行速度、舒适性、安全性的要求越来越高，进而刺激了我国动车组行业的发展。铁路第六次提速调图后，“和谐号”CRH系列动车组成为我国中东部地区铁路运输的主角；目前，在我国既有线上的动车组车型主要有：CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等；此外，我国的高速铁路也蓬勃发展，多条客运专线也都在建，已投入运行的部分区段最高运行速度已突破300km/h。总而言之，中国铁路正在发生着天翻地覆的变化。本论文以CRH3型动车组中间车体为研究对象，首先对该型动车组做一个简单的介绍，了解它的国外背景、在中国的生产厂家，以及它的结构特点和编组方式等；其次，重点介绍CRH3型动车组的车体，介绍它的结构特

3、点、选用材料的种类及该材料的特点。在此基础上，利用三维建模软件SolidWorks建立实体模型，在设计建模的过程中，介绍组成车体的车顶、侧墙和底架等部件的结构特点以及重要部位的建模过程；此外，介绍目前应用于车体的相关技术，例如：轻量化、流线形、密封性和降声隔噪等。设计建模完成之后，对动车组受电弓的结构做一个简单介绍，另外对目前各型动车组常用的受电弓列举一下。关键词：动车组；铝合金车体；受电弓；三维设计AbstractIn recent years, with the improvement of the level of Chinas national economy, people trai

4、n speed, comfort, safety requirements are high, so as to stimulate the development of China EMU industry. After the sixth railway speed increase and diagram adjustment, Harmony CRH series EMU consisting of the eastern rail transport protagonist; currently, in our existing line of EMU models are main

5、ly: CRH1, CRH2, CRH3 and CRH5 etc; in addition, Chinas high-speed railway is also booming, multi-passenger line are also under construction, part of the section has been put into operation has exceeded the maximum operating speed of 300km / h. All in all, Chinas railway is undergoing tremendous chan

6、ges.In this paper, an intermediate CRH3 EMU body for the study, the first of the EMU to make a brief introduction, understanding its foreign background, Chinese manufacturers, as well as its structural characteristics and grouping methods; secondly, focuses on the body CRH3 type EMU, introduces its

7、structural characteristics, the type of material selection and characteristics of the material. On this basis, the use of three-dimensional modeling software SolidWorks solid model is set in the design process modeling, we introduce the structural characteristics of the composition of the vehicle ro

8、of, side walls and the base chassis and other components as well as important parts of the modeling process; furthermore introduces currently used in vehicle-related technologies, such as: lightweight, streamlined, reducing acoustic noise-isolating and sealing the like. After the completion of the d

9、esign model, the structure of EMU pantograph make a brief introduction, in addition to various types of current EMU conventional pantograph include it.Key Words: EMU, Aluminum body, Pantograph, Three-dimensional design目 录摘 要IAbstractII目 录III1绪论11.1论文的选题背景和研究意义11.1.1 选题背景11.1.2 研究意义31.2 国内外研究现状31.3论文

10、的主要研究内容42 CRH3型动车组52.1 CRH3动车组原型52.2 CRH3动车组分类52.3 CRH3动车组车体结构62.3.1 车体承载结构73 铝合金车体103.1 国内外铝合金车体发展现状103.1.1 国外铝合金车体发展现状103.1.2 国内铝合金车体发展现状103.2铝合金车体的特征113.3 高速铁路客车车体用的铝合金材料113.4 铝合金车体材料的特点113.4.1 挤压特点113.4.2 铝合金材料的焊接性能123.4.3 铝合金焊接的主要问题123.5 铝合金车体结构发展特点134 动车组车体的三维设计144.1 动车组车体设计思路144.1.1 设计思路144.2

11、 车体的设计及建模154.2.1 建模软件Solidworks154.2.2 车体的设计及建模154.2.3 车体的装配225 受电弓的基本结构235.1弓头235.2框架245.3底架245.4 传动系统24结 论26致 谢27参考文献281绪论1.1论文的选题背景和研究意义1.1.1 选题背景 世界高速铁路的发展铁路自诞生后的200年以来，因为有舒适性好，运输能力大，速度相对较高等优点，故而得到了快速发展，铁路在现在交通运输中有着特殊的地位，已经成为性价比最高的旅行交通运输方式。铁路运输的高速化已成为一种世界潮流，冲击着各个国家的交通运输结构，同时刺激着各种现代交通运输方式改进性能，提高速

12、度。高速铁路伴随着经济、科技、社会发展的步伐应运而生。 日本高速铁路-新干线19世纪中期，日本铁路开始发展，由于日本人口密度大，资源匮乏，导致铁路运输在该国有着特殊的地位，日本人也不断致力于提高列车运行速度。20世纪60年代，世界上第一条高速铁路-新干线正式开始建设。五年后，东海道新干线正式投入运营，全长2000公里的新干线成为日本国民经济发展的命脉。目前，新干线上列车运行的最高速度可达300km/h，在新干线上运行的高速列车主要有：0系动车组、500系动车组、700系动车组和E2系动车组。经历长达40多年的发展，新干线列车一直采用先进技术，使得电力动车组性能日益完善。从一定意义上来说，新干线

13、的发展是世界高速铁路发展的缩影，“新干线”已经成为世界高速铁路的代名词。 法国高速铁路与TGV高速列车法国在铁路运输方面也远远领先世界其他国家，1955年3月，法国人就创造了331km/h试验速度的电力机车；两年后，CC-6500型电力机车牵引客车的运营速度达到200km/h。但是，到1970年左右，随着公路和航空运输的快速发展，法国铁路运输行业受到前所未有的挑战。于是，法国人也像日本人一样开始着力发展自己的高速铁路，经过长达十余年的发展和研究，东南线高速铁路于1981年正式开始投入运营。随后，法国又修建了长达1500公里的铁路路网，主要有：大西洋线、地中海线、东南延伸线和巴黎地区联络线等。随

14、着高速铁路的迅速发展，高速列车发展也不甘示弱，从1976年开始，法国开始研究交-直传动的TGV-PSE，五年后正式投入运营；此后，又先后研究制造了交-直-交传动的TGV-A、TGV-TMST、TGV-2N等型号的高速动车组。1900年5月法国在大西洋线创造了515.3km/h试验速度的世界纪录，2007年4月法国TGV又一次刷新了自己的记录，把实验速度提高到574.8km/h。 德国高速铁路和ICE高速列车德国有着悠久的铁路历史，第一条铁路诞生于1835年，连通着纽伦堡和菲尔特。20世纪初期，西门子公司制造的电力机车创造了162.5km/h的运行速度，此后德国铁路列车快速发展，到1945年，德

15、国已经有200km/h的快速列车。和其他欧洲国家一样，德国铁路的发展也在20世纪60年代受到了前所未有冲击，但由于政府一直重视铁路的发展和加上法国成功发展高速铁路的刺激，联邦德国展现出了他们惊人的技术能力，高速铁路发展蒸蒸日上。经过多年的发展，德国的高速铁路路网规模高达900度公里，并且还有多条在建干线。在长达半个世纪的发展中，德国人先后研究制造出：ICE1、ICE2、ICE3、ICE-T和ICE-TD等高速动车组，运行速度不断提高。目前，德国已成功研制出运行速度高达350km/h的高速电动车组。高速铁路是一个有着国际性和时代性的概念。1985年5月，联合国欧洲经济委员会将高速铁路最高运行速度

16、的规定是：客运专线300km/h，客货混线250km/h。1986年1月，国际铁路联盟秘书长勃莱认为，高速列车的最高运行速度应不低于200km/h。因此，国际上目前公认列车最高运行速度达到200km/h及以上的铁路叫高速铁路。 我国高速铁路的发展 1990年以来，我国出现了“买票难、乘车难”的局面，且日益加剧。此外，受到其他运输行业的冲击，铁路运输行业出现前所未有的冲击，铁路提速成为此时的头号大事。经过十余年的发展，中国铁路先后经历了五次大提速，取得了实质性的效果。为了进一步加快中国铁路高速化的发展，于2007年中国铁路进行了第六次提速调图，“和谐号”CRH系列动车组开始投入运营，中国铁路从此

17、进入高速时代。 根据国务院“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的指导方针，中国铁路依靠国外先进的高速铁路技术，立足国内，自主创新，已取得了实质性效果。第六次提速调图后，160km/h及以上提速区段里程高达1.4万km。随着提速战略的不断深入，在2008年8月，时速350km/h的动车组在京津高速线上正式投入运营，开启了我国300km/h以上高速列车的新篇章。此外，列车运行速度高达350km/h的京沪高速铁路也已开通运营，全长1300多公里。根据中国政府在2004年发布了中长期铁路网规划，在我国建成小康社会时，我国铁路客运专线将达1.8万km，包括“四纵四横”客运专线以及三个城际客运系统

18、。此外，我们国家将重点建设长三角、珠三角和环渤海三个城际区域轨道交通网。 我国动车组的发展现状和趋势和国际上一样，我国的动车组是指速度达到200km/h及以上，大多实施动车、拖车混合编组的动力分散交流传动模式。目前我国的动车组不仅可以在铁路既有线上正常运营，还可在中国铁路既有线指定区段以及新建客运专线上以200km/h速度级正常运行。动车组的车种主要有：座车、餐车、卧车、座车与餐车合造车及带有司机室的头部合造车。就目前而言，我国速度为200km/h速度级以上的动车组主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5，分别由四个不同的厂家制造生产。尽管在总体技术条件方面基本相同，但由于从不同国家引进技

19、术的不同及原型车方面的差异，我国不同的动车组在动力和技术配置等方面依然存在着一定的差别。 在不久的将来，中国动车组将朝着标准化，系统化，统型化方向发展。整合已有的技术平台，取长补短，通过不断地优化，提出适合中国动车组发展的统一总体技术方案，建立简统化的同一平台，实现模块化，谱系化。1.1.2 研究意义进入21世纪以来，随着我国经济的快速发展，我国铁路事业发展迅速,取得了很大的成效。但是，我国人口众多，导致铁路运输能力与运输需求之间的矛盾仍然十分突出，已经成为我国经济发展的阻碍。因此，对我国来说，扩大铁路运输能力刻不容缓，以缓解铁路运输的压力，加快经济的发展。为了解决这些问题，我们可以从以下方面

20、来考虑：首先加快铁路新干线的建设，增设客运、货运专线。其次，要依靠引进国外先进的生产技术，自主创新研发的发展战略，大力发展我国的高速列车，提高列车运行速度。依靠引进、消化、吸收国外先进生产技术的发展战略，使得我国机车车辆装备行业的制造能力有了大幅度的提高，但是与德国、日本等发达国家相比还有很长的一段路要走。通过本课题的研究，了解当前世界铁路行业的发展趋势，认清我国与其他该行业顶尖国家的差距，因而明确我国的发展战略。近年来，我国动车组发展势头猛烈，经济发达的东部地区已基本实现动车组的全面覆盖。为了继续发展动车组，铁路部门要加快国内客车动车组产品的开发速度，提高我国机车车辆装备水平，为打造中国品牌

21、的动车组而努力奋斗。1.2 国内外研究现状 随着全球城市交通和铁路交通的快速发展，车体的升级、发展和轻量化已越来越重要。原始密封性能差，自重大并且运行速度慢的碳钢车体正在被淘汰，被具备轻量化、耐腐烛、美观柔和的铝合金车体所取代。目前，随着经济的发展，各个国家更加重视铁路交通运输行业的发展，一些发展中国家正在大力发展铁路运输行业，批量生产铝合金车体的能力正在不断提高。总体而言，目前动车组车体大都采用铝合金型材，所以在下一章我们重点介绍国内外有关铝合金车体的相关内容，在此不再赘述。1.3论文的主要研究内容本论文以CRH3型动车组中间车体为研究对象，参照CRH3的相关参数和图纸，重点研究以下内容：

22、了解CRH3动车组； 了解CRH3动车组车体的结构特点和选用材料的特性； 用三维设计软件进行动车车体曲面建模； 车体外形的空气动力学考虑； 铝合金金车体； 受电弓的结构。2 CRH3型动车组CRH3型电力动车组，是为了加快我国铁路的高速化进程，营运新建的客运专线和高速铁路，由我国铁道部向德国西门子公司订制的CRH系列高速动车组。我国将所有“引进国外技术、联合设计生产”的中国铁路高速（CRH）车辆均命名为“和谐号”。2.1 CRH3动车组原型CRH3动车组的原型是德国铁路的ICE-3列车，中国铁道部通过引进西门子公司的先进生产技术，以自主消化吸收的方式，由中国中车唐山轨道客车厂在国内生产实现国产

23、化。为了中国铁路第六次大提速的进行，中国铁道部于2004年8月展开了时速200公里级别的高速动车组技术引进招标，但由于当时西门子公司提出了高昂的转让技术、车辆造价费用，所以双方在第一轮招标中未达成任何协议。直到2005年11月，中国铁道部和西门子公司在“以市场交换技术”的原则下签订协议，西门子公司因而得到了60列时速300公里的高速列车订单，总价值达6.69亿欧元，最终被命名为CRH3C。此外，长春轨道客车厂已于2009年3月获得德国西门子公司的授权，生产30辆16节编组的电力动车组，命名为CRH3D。长客成为CRH3系列动车组的其中一家生产商。2.2 CRH3动车组分类 CRH3ACRH3A

24、型动车组由中国北车所属的长客股份公司和唐客公司联合设计生产，并于2013年6月8日正式在长客亮相。CRH3A型动车组以CRH380BL技术平台为基础，借鉴了CRH380BL、CRH380CL、CRH380B、CRH5型动车组的优点，研制开发的自主知识产权动车组。 CRH3A型动车组最大的优点是可根据不同的运营线路以不同的速度运营，速度等级主要分为三类：时速160公里、时速200公里、时速250公里，是当今国内唯一既适合时速200250公里之间客运专线、又适合时速160250公里之间城际铁路运行的动车组。与之前国内运行的这一速度等级的动车组相比而言，CRH3A型动车组还有很强的成本优势和售后维护

25、优势。 CRH3CCRH3C型动车组是由唐山轨道客车厂实现国产化制造的CRH3型动车组，至今已制造出多达38 组并配发于相关的铁路局，编号依次为CRH3C-3001、CRH3C-3003、CRH3-005C至CRH3-040C，在结构方面和进口车完全一样。2007年9月首组国产化铝合金车体完成制造，所以唐客方面起初预计这组列车将于于2008年3月31日正式出厂，但由于部分国产化列车零部件未能按时运至唐山，导致出厂时间延至4月11日。2008年6月下旬正式试验，在试验中由唐山轨道客车厂制造的第一列国产CRH3C-3001型动车组在京津城际铁路创下了394.3km/h的最高速度，并且加速性能也十分

26、优良，在当天的试验中CRH3C将速度提升至300km/h仅用了5分钟。2008年8月1日京津城际铁路正式开通运营，CRH3C型动车组也于当日投入运营该铁路，其最高运营时速高达350km/h，是当今世界日常运营速度最快的轮轨高速铁路。CRH3C型动车组配属于北京铁路局和广铁集团，主要用于京津城际铁路和武广高铁。 CRH3D2009年3月西门子公司和中国北车集团再次获得铁道部100列以CRH3C为基础的十六车厢大编组动车组新订单，命名为CRH3D，其中70列由长客生产制造，30列由西门子公司制造。该型动车组的最高运行速度达350km/h，车体外观与CRH3C基本一致，主要用于京沪高铁。2.3 CR

27、H3动车组车体结构CRH3型动车包括八辆车五种车型，其中四辆是动车。CRH3动车组车体结构主要分为头车车体和中间车体两种。头车车体由底架，侧墙，车顶，端墙，车体附件（车下设备舱，前罩开闭装置和排障装置）及司机室头部结构组成，中间车车体由底架，侧墙，车顶，端墙，车体附件组成3。各型车体根据功能，附属设备等不同而在车体结构上不尽相同，但其主要结构形式相似。地板，侧墙，车顶均由五块型材组焊而成。车体横断面的连接形式分为搭接和插接两种形式。搭接部位是为了调整车体的横断面尺寸，车体组焊完成后能够满足动车组车体横断面的设计要求。动车组的主要技术参数：车辆长度（包括车钩） 24825mm (中间车) 258

28、60mm（头车）车辆定距 17375mm车体宽度 3259mm车顶距轨面高度 3915mm地板面距轨面高度 1300mmCRH3动车组各车厢车体质量表：表2.1 各车厢车体质量表车厢EC01TC02IC03BC04FC05IC06TC07ECO8质量(kg)10935110351108510885108851108511035109352.3.1 车体承载结构该动车组的车体承载结构采用车体全长的大型中空铝合金型材组焊而成，为筒形整体承载结构。这样使得车体具有很好的防震，隔音效果，尤其是侧墙。车体所使用的材料为可焊铝合金，这种材料确保了车体有非常好的防腐性4。由于本论文在后面要以IC03车重点介

29、绍车体的结构组成，所以在这里只列举几个中间车体的不同结构（如侧墙和车顶）和中间车没有的司机室，至于共同结构在后面详细介绍。1 司机室： 司机室主要有前墙、侧墙、顶板和端部环形框组成，如图2.1所示。侧柱与车顶弯梁对应，受力情况最为理想，在司机室车顶的前部开一个很大的开口，为了方便球面玻璃的安装，在开口中间加一个矩形型材来增加整体的强度。 CRH3司机室最为明显的一个特点是由梁柱和墙板组成，在断面上有四个通长的梁构成，如图2.2所示。司机室另一个显著的特点是梁柱不直接与板焊接，如果直接与板焊接就会造成焊接变形，影响整体的美观。所有的板本身就带有筋，梁柱焊接在筋上，因而降低外板的变形如图2.3所示

30、。 在设计车前部时，有一个具有很小空气阻力的空气动力学模型，这是设计的关键。车鼻锥体和前轮廓的结构尽可能设计成流线形，以减小空气阻力，提高乘坐舒适性。 侧墙 CRH3型动车组车体的侧墙结构大体相同，均为铝合金轻型结构。侧墙板为大型铝合金挤压型材。各车侧墙的外部轮廓及型材断面组成均相同，都是由5块大型中空挤压型材拼焊而成。CRH3型动车组由8辆车厢编组，由于各个车厢功能的不同，所以在制造车厢的车体时，侧墙上的开窗各不相同。根据不同的要求和功能，侧墙可根据侧门的不同分为四类。EC01和EC08车只在司机室的一端有一个侧门。TC02，TC07车和IC03，IC06车两端都有侧门，车窗的布置在车体结构

31、上也完全相同，只是附件略有不同。BC04是餐车，没有侧门。FC05只有一个侧门。 车顶 车顶的共同结构高顶的外部轮廓及型材断面组成均为共同结构，都是由5块大型中空铝合金拼焊而成。这五块型材又可分为两部分，即构成中顶的三块和两侧边顶的两块。中顶的三块型材之间是靠内外的两道V型焊缝连接，而中顶与边顶之间靠内外的两道焊缝连接。目的是靠此来调节整个车顶的总尺寸及外形轮廓。高顶为车体整体筒形结构的一部分，除考虑车体整体承受的纵向载荷及垂向载荷以外，还要考虑车内风道，线槽，顶板，行李架等内部装置的安装。这些是通过沿车体纵向通长的5道C型槽实现的。C型槽的位置是设计型材断面的重要参考数据之一。车顶应满足体重

32、100kg的工作人员在车顶行走而不损坏的强度要求。 车顶的分类：和侧墙一样，由于车体不同的要求和功能，各车体的车顶也不同。根据车顶安装设备的不同，车顶大致分为以下4种，EC01和EC08车：车顶大的安装结构仅有空调安装座及开孔；TC02和TC07车：车顶大的安装结构不仅有空调安装座及开孔，还有安装受电弓等设备的大平顶；IC03车和IC06车：车顶大的安装结构仅有空调安装座及开孔；BC04和FC05车：车顶大的安装结构不仅有空调安装座及开孔，还有安装其他设备的小平顶。图图2.1 司机室结构图 图2.2司机室断面图 图2.3司机室侧墙板连接图3 铝合金车体3.1 国内外铝合金车体发展现状在第一章，

33、我们已经介绍了，随着技术的进步，铝合金车体已经成为现代动车组车体的首要选择。在此，我们重点介绍一下国内外铝合金车体的发展现状。3.1.1 国外铝合金车体发展现状在国外，高速列车起步很早，大都釆用动车组模式运营。就目前而言，德国、法国和日本等大多数国家都掌握200km/h高速动车组技术，但只有一小部分国家有自主知识产权，比较著名的有德国的ICE系列动车组、法国的TGV系列动车组和日本的新干线系列动车组。为了追求更高的运行速度，各个国家纷纷采用铝合金材料作为车体材料，以便进行轻量化设计9。通过近些年对铝合金车体的不断研究与改进，铝合金车体制造技术已趋于成熟，车体重量不断变轻，进而提高了列车的运行速

34、度。总之，人们对列车运行速度的要求不断推动着铝合金车体制造业的发展。3.1.2 国内铝合金车体发展现状自我国有铁路以来，我国铁路运输行业一直采用机车牵引车厢的运行模式，直到1978年以后高速动车组这一运输模式才被推广到国内并得到一些应用。因此铝合金车体在我国的起步比较晚。1980年，采用日本技术的首辆铝合金地铁车体在长春生产成功，但该类型的车体釆用板梁机构设计，存在着对制造工艺要求高、车体的平整度不好、制造成本高等缺点，因而在市场上没有得到认可。20世纪90年代中期，由铁道部牵头组织开发制造出中国第一台ICE2型混合结合的铝合金车体，从德国进口的铝合金材料在该车体上应用，车体通过自动设备焊接而

35、成，而窗口是由机加工设备切割而成。ICE2型混合结合的铝合金车体在我国的成功制造，在某种意义上促进了我国铝合金型材制造车体技术的发展。经过专业人员将近十年的不懈努力，在某些关键材料配套上已基本实现了国产化，不仅解决了高成本的问题，而且为我国铝合金车体发展提供了良好的条件。我国第一条铝合金车体自动化焊接生产线与2000年在中国中车长春轨道客车股份有限公司建成，在这条生产线上，我国的第一辆磁悬浮列车、210km/h电力机车、270km/h高速列车和地铁等相继制造出来。这条生成线的成功运行标志着我国铁路运输行业车体制造技术发展达到了一个新的高度，之后南京、株洲等车辆厂也陆续建立了自己的铝合金车体生产

36、线，于是我国进入了铝合金车体国产化、批量化生产的时代，不再依靠进口。近年来随着我国综合国力的提升，国家对铁路行业不断加大投入，给铝合金车体制造企业提供了良好的发展环境，铝合金车体的国产化标志着我国高速动车组制造行业进入快速发展的阶段。3.2铝合金车体的特征 优异的挤压特性:铝合金具有良好的塑性，挤压成型容易，可以根据车体的优化设计，挤压出各种复杂形状的断面，宽度还可达700800mm，长度可达30m，随着大型挤压型材的开发和研制，车体各个部件的制造已由钢质车体结构那种骨架敷以外板的传统工艺，改为骨架、外板一体化的大型挤压型材拼装新工艺。可以大幅度地减少焊接工作量，使车体结构制造工艺大为简化，降

37、低制造工时。 优良的耐腐蚀性：由于铝元素和氧元素的亲和力很强，在空气中铝合金易于氧元素结合生成致密的氧化物薄膜（Al2O3），保护着车体。因此，铝合金具有优良的耐腐蚀性，车体可实现无涂装化。这不仅可以降低制造和维修的费用，还可以改变操作的条件，减少在车辆厂停修的时间，提高车辆的使用效率，适当延长车辆的使用寿命。一般而言，铝合金车体相比钢质车体而言，有高达十年长的使用寿命。 可实现车体的轻量化：铝合金的密度比较小，约为钢的三分之一。如果铝合金车体在形状、尺寸和钢制车体完全一样，那么铝合金车体的重量仅为钢制车体的三分之一。但为了考虑整个车体的刚度和强度，要对铝合金车体的板厚适当加强。其结果是，当铝

38、合金车体的刚度和强度和钢质车体差不多时，铝合金车体的重量只有钢制车辆的一半左右，进而实现了轻量化。3.3 高速铁路客车车体用的铝合金材料铝合金材料种类多样，性能各异，应根据车体不同位置的需要情况，选择铝合金的种类。目前，高速铁路车体主要采用的铝合金材料有：Al-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金以及Al-Zn-Mg系合金三个系列。3.4 铝合金车体材料的特点3.4.1 挤压特点铝合金车体各大部件采用挤压加工制造而得到广泛的应用，而且取得了良好的效果，这是因为挤压加工技术相比于其他压力加工技术有很多的优点。 可以挤压出复杂形状的断面。铝合金车体由于其结构设计的要求，某些断面形状比较复杂，例如车体

39、底架结构。挤压加工不仅能生产出单一形状的断面，而且能够挤压出变截面、形状复杂的型材。所以能够较好地适应铝合金车体结构设计的相关要求。 可以充分发挥加工金属的塑性。在挤压生产过程中，被挤压金属在变形区能获得比锻造、轧制更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，使材料本身塑性得以充分发挥。同时挤压过程对金属的力学性能也有很好的影响。 加工范围广，制造工艺比较简单。对于不同形状、种类及规格的部件，只要更换模具就可以在一台加工设备上完成。而且大多数部件通过一次性挤压就可获得所需的形状和尺寸，大大提高了生产效率，降低了生产成本。 挤压精度可以满足铝合金车体的技术要求。随着挤压模具质量的提高和挤压工艺不断的改进，

40、产品的精度和表面质量均可满足车体结构的技术要求，不需再次加工,制造工时大为减少。3.4.2 铝合金材料的焊接性能 焊接方法：大多数焊接方法均可焊接铝合金材料，但要想获得高质量的焊接质量来看，氩弧焊是最佳的焊接方法。焊接铝合金车体结构的氩弧焊主要有钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。 焊丝材料：在铝合金焊接中，焊丝的选择主要考虑母材的化学成分，必须同时满足接头对抗裂性能和使用性能的要求。因为在焊接中大多数铝合金具有不同程度的热烈倾向，所以通长为了防止焊接裂纹的产生，我们要根据母材的化学成分选择焊丝。对于高强度的铝合金焊接，例如铝合金车体受力部件的焊接，应采用与母材合金成分完全不相同，但与母材有良好相熔

41、性的焊丝材料，可以获得良好的抗裂性能。3.4.3 铝合金焊接的主要问题 焊缝容易产生夹杂物。铝合金表面形成的氧化薄膜使铝合金具有优良的耐腐蚀性和化学稳定性，但另一方面给铝合金的焊接带来困难。在焊接过程中，氧化膜将阻碍金属之间的较好熔合，容易形成焊缝夹杂物，导致焊缝质量下降。 容易产生气孔。气孔也是铝合金焊接时常见的缺陷，与其他金属材料相比，铝合金更容易产生气孔。由于铝合金中不含碳，因此不存在生成CO2的条件，所以氢是铝合金焊接时产生气孔的主要原因。 焊接热裂倾向。铝合金材料的线膨胀系数比钢大，所以在焊接时，由于过大的内应力而产生热裂纹。除此之外，铝合金焊接由固态变为液态时，其颜色无明显变化，在

42、焊接过程中给操作者带来很大的困难，无形中提高了焊接的复杂程度。3.5 铝合金车体结构发展特点铝合金车体结构的发展经历了以下几个过程。开始应用阶段：只是将钢制车体骨架和板材换为铝合金。其性状和尺寸基本不变，型材的应用也相对简单。进入20世纪80年代以后，随着挤压技术的大力发展，大型薄壁、宽幅、空心、形状复杂的一体化结构挤压成功，使铝合金车体结构设计与制造进入了一个全新的阶段。20世纪80 年代末至今，铝合金车体结构更加趋于薄壁化、整体化、合理化。部件数量更加减少，质量有了进一步提高。车体结构全部采用大型中空型挤压型材。告别了车体结构上的立柱、补强板、横梁等一些构件。车窗采用挖洞方法制造，各个部件

43、在车体纵向方向上的焊接组成，提高了装配自动化和机械化程度，使得生产更加快速化、合理化8。4 动车组车体的三维设计4.1 动车组车体设计思路高速动车组车体不仅需要承受乘客以及各种设备的重量，而且在运行过程中还要承受纵向、横向和垂向载荷等动态载荷的作用。因此，车体结构应具有足够的刚度，使得安装在其上的设备之间的相对位置在列车运行过程中保持不变，还可以减小由于刚度不足而引起的振动和噪声，提高旅客乘坐的舒适性；车体结构也应具有足够的强度，以保证其可靠性和使用寿命；在保证刚度和强度的前提下，尽可能减小车体质量。从安全性方面考虑，车体底架结构应具有易于吸收撞击能量的特点。4.1.1 设计思路 高速动车组车

44、体结构设计要求高速动车组车体设计的首要目标是高速、舒适、安全及结构的轻量化，但这些设计目标又相互制约，互相矛盾，所以，高速动车组车体设计在满足现代车辆设计规范的前提下尽可能折中和优化这些目标。在车体结构设计中必须考虑以下几个要求。 车体强度：为保证车辆在运行中有足够的强度，必须能承受一定的载荷工况，以符合车辆的强度设计规范。需校核车体结构的强度和刚度，同时要进行结构疲劳设计。 车体刚度：这主要是控制车体的垂向位移和扭转角位移。 车体自振频率：这与车辆运行品质和安全密切相关，因此，规范中对车体第一阶垂向弯曲模态有一定的限制。 车体的耐碰撞安全防护：即要求设计一个更强的客室结构，同时在车体的非乘客

45、区设置能量吸收区。以吸收撞击动能，保证乘客安全。 结构轻量化：在保证安全和使用寿命的前提下，尽量做到结构的轻量化。车体结构所占车辆自重的比例很大，因此设计时尤其应注意减轻其自重。 车体的相关技术车体的相关技术主要有：轻量化、流线型、密封性和隔声降噪。近年来人们对列车运行的速度、舒适性和安全性的要求越来越高。因此，车体相关的设计技术就显得尤为重要。 轻量化：高速动车组车体大多数采用大型中空铝合金型材，这些型材组焊成薄壁筒形整体承载结构。主要有底架、侧墙、车顶、端墙、司机室（头车）以及车下设备舱等组成。与传统的钢制车体相比，铝合金车体至少减重30%。 流线形：结合空气动力学等知识，流线形车体可以减

46、小空气阻力、减弱列车运行和交会压力波、降低噪音和控制车内气压变化。 气密性技术：列车高速运行时，尤其是会车和进出隧道时，车外瞬间产生强烈压力波。车体采用气密性技术后，会减弱压力波动，保证乘客的舒适性。 隔声降噪：优化头型降低气动噪声；优化车体端部及底架降低噪音等。4.2 车体的设计及建模动车组车体的曲面建模通过Solidworks三维建模软件建立，由于动车组中间车体是由车顶、侧墙、底架和端墙组成的，所以在三维建模时，应对各个部件独立建模。而每个部件又是由不等数量的大型中空铝合金型材组成的。因而在建模时，先对每一块铝合金型材建模，当每一部分的型材建模全部完成后，装配起来组成一个部件。最后，各个部

47、件装配完毕，整体装配起来组装成一个完整车体。4.2.1 建模软件SolidworksSolidWorks是世界上第一套基于Windows系统开发的三维CAD软件。该软件以参数化特征造型为基础，具有功能强大、易学、易用的特点，是当前最优秀的中高档三维CAD软件之一。总体来说，新一代SolidWorks不仅使得产品在设计上省时、提高生产力，看起来效果更好，性能更佳，而且其价格和平民化设计在市场上也将更受欢迎。4.2.2 车体的设计及建模 车体的外形设计众所周知，在列车行驶速度不变的情况下，高速动车组的阻力由阻力系数决定阻力系数。由于受到限界、内部装置和旅客舒适度等原因，导致车体截面面积，车体的长、

48、宽、高变化的余地不太大。所以车体外形设计最重要的是横断面形状设计。结合已有的设计资料和相关的标准要求，在本设计中，车体的横断面形状为鼓形，并且车身外表面光滑平整，无突出物。具体设计图如图4.1所示。从整个外形上看，整个车身横断面呈鼓型，即车顶为圆弧形状。侧墙上部向内倾斜（5左右），并以圆弧过渡到车顶；侧墙下部向外倾斜(5左右)，以圆弧过渡到底架。这种设计不但能减小空气阻力，而且在缓解列车交会压力波、横向阻力和侧滚力矩方面有重要作用1。 车体的结构设计： 车顶的三维建模车体的车顶是由五块铝合金型材焊接组装而成，由于其是对称结构，所以建模时只需对三块型材建模。装配时镜像部件即可完成车顶的装配。车顶

49、作为车体整体的一部分，在设计其结构时，除了要考虑车体整体承受的各向载荷外，还要考虑行李架、风道、线槽等车内设备的安装。这些设备设备的安装都是通过沿车体通长的5道C型槽完成的。除此之外，动车组在维修和安装车顶设备时，工作人员要在车顶行走。故车顶设计为拱形结构，满足工作人员在车顶维修安装设备时行走但不损毁的强度要求，并且拱形结构有很强的垂向载荷承载能力2。另外结合车体整体横断面的设计情况，确定车顶的结构如图4.2所示。图4.1 车体结构断面图现在以型材1和型材2的具体建模过程来说明车顶的建模。a. 型材1的两端均设计成带有斜度的插头结构如图4.3所示，型材2的左侧也设计成此种结构，使得构成中顶的三

50、块型材之间靠内外的两道V型焊缝（图4.5）焊接组装，以确保焊接质量。而型材2的右侧结构设计成如图4.4所示，以便型材2和3之间靠内外的两道角焊（图4.7）焊接组装，以此可以调节车顶的总尺寸和外形轮廓。b. 为了方便车内设备的安装，每个型材上均设有C型槽。其结构如下图4.6所示。c. 车顶型材的平均壁厚是34mm，空腔内筋的平均厚度是2.5mm。在保证车顶的强度要求下，满足车辆轻量化。型材建模全部完成后，实施装配，组成完整的车顶结构。由于车顶上部要安装车顶设备，所以还需加工出空调安装座、开孔和安装其他设备的小平顶。最后，得到完整的车顶图如图4.8所示。 图4.3 插头结构1 图4.4 插头结构2

51、 图4.5 V型焊缝结构 图4.6 C型槽结构 图4.7 角焊结构图4.8 车顶图 侧墙的三维建模结合整个车体横断面和车顶的形状，及车辆的限界要求和已有成型的侧墙结构，确定本设计中侧墙结构断面图如图4.9所示。 图4.9 侧墙结构图 图4.10 型材1外部结构图在本设计结构中，车体的侧墙由5块大型中空铝合金型材组焊而成。在这五块型材中，最中间的型材3为窗间型材，在该型材上开设窗户。其余的四块型材为连续通长的中空挤压型材。现在以上图中的型材1的建模过程来反映整个侧墙的建模过程：a. 由于要和车顶的下部型材组装拼焊，所以把该型材的上部结构设计如图4.3所示，结构设计成这样是为了和车顶型材拼焊，使得

52、两型材间的焊缝形式为V 型焊缝，保证焊接质量。b. 在车体的设计要求中，由于要保持车身表面光滑，另外根据已大致确定的车身断面图，该型材的外部结构设计如图4.10。c. 该型材的平均壁厚为34mm，空内筋的平均厚度为2.5mm，在满足车体强度要求的前提下，尽量实施车体轻量化。d. 为了方便车内设备的安装，在该型材上开设C型槽。e. 型材1下端接头的形状设计结构如图所示，主要的原因是考虑与型材2的拼焊问题，保证侧墙结构光滑，另外焊缝形式设计为V型焊缝，确保焊缝质量。其余几块型材的设计和建模与型材1大致相同。主要的考虑因素是：侧墙整体的设计结构、保证型材间的拼焊质量和方便安装车内设备的C型槽。五块型

53、材建模完成后，实施装配，组成完整的侧墙。由于侧墙上有车门、车窗等结构，另外侧墙的一端上部开有与车顶相配合的空调新风口。所以在装配体的基础上，还要开设车门、车窗和空调新风口，本设计设计的是IC03车，在车体的两端都有侧门。建模全部完成后，得到完整的侧墙结构，如图4.11所示。图4.11 车体侧墙图 底架的设计与建模CRH3动车组的底架由底架前端、地板和边梁三部分组成，边梁是纵向贯通部件，长度和车体长度相当，地板和底架前端均与边梁焊接。 边梁的设计：由于底架是车体的主要承载部件，承担着车体的全部重量，导致车体底架的强度要求非常高。而边梁作为底架的组成部件，又是连接侧墙和底架的中间结构，所以强度要求

54、更加高。结合车体的整体结构及相关的强度要求，边梁结构设计如图4.12所示，边梁型材的平均壁厚是8mm，空腔内筋设计成5mm，均高于车体其他部件的壁厚以满足其强度要求。边梁的上部结构为带有斜度的插头，与侧墙下部型材形成V型焊缝。方便与侧墙的组装拼焊，保证车体的整体结构形状和焊接质量。边梁的左侧结构与上部结构大体相同，方便与地板和底架前端的焊接，此外，还可调节地板的宽度，确保底架整体紧凑、完整。 地板的设计：地板是底架中最重要的部分，地板不仅要承载车体、乘客的重量，地板以上还要安装车上设备，地板以下要悬挂车下设备，因此，强度要求也非常高。地板由六块大型挤压铝合金型材拼焊装配而成，并且型材均带有相同

55、的T型槽，各种车上及车下设备均悬挂安装于T型槽内，不仅安装方便，而且可靠性很高。下面以六块型材中的一块具体介绍建模过程。考虑到底架的整体结构和强度要求，型材设计如图4.13所示，型材的整体结构为平直型材，型材右侧设计成插头结构，通过型材的两条边与强大的边梁搭接角焊，保证连接强度。型材上下部分均有T型槽，方便设备的安装。型材左侧设计成带有斜度的插头结构，方便与其他型材形成V型焊缝，保证焊接质量。型材的平均壁厚为34mm，空腔内筋的平均厚度是3mm，以保证型材的强度。图4.12 边梁结构图 其余五块型材的设计与建模与上面介绍的型材大致相同，建模完成后。实施装配，组成完整的地板结构。其中，型材2和7，3和6为对称型材，建模时只需分别建立一个模型，装配时镜像零件即可。底架作为承载结构的重要部件，强度要求很高，因而焊接质量尤为重要。地板通过地板型材的四条边与两个强大的边梁搭接角焊，保证了焊接质量和强度要求，最终得到底架结构如图4.14所示。图4.13 底板型材结构图图 图4.14 底架结构图 端墙的设计及建模端墙就是每个车体的两个端部，是一