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摘 要：介绍了动车组铝合金车体侧门结构；结合铝合金车体的静强度、刚度、疲劳强度及车体轻量化的要求，以两种侧门结构方案为例，通过仿真计算和试验测试结果对比分析，介绍了车体侧门结构优化设计思路和方法。
关键词：动车组 铝合金车体 侧门结构 优化设计
1 引言
随着速度等级的提升，动车组铝合金车体对静强度、刚度、气密疲劳强度等要求都有了很大的提高。通过对动车组铝合金车体的仿真计算、试验及运行数据分析，车体侧门结构部位的气密疲劳强度相对较弱，安全系数相对较低。为了满足更高速度等级车体的气密疲劳强度要求，通过结构设计、对比分析、仿真计算、试验验证等提出了一些结构形式，对侧门结构进行优化设计分析。
2 侧门结构简介
侧门结构由门框和门袋区组成，门框与门袋区及侧墙主体结构连接，是乘客上下车辆的出入口；门袋区与门框及侧墙主体结构连接，是侧门开门时，侧门和机构等部件放置区域，用于放置和保护侧门和机构等部件。门框一般由立柱、门角、上门框、下门框组成，门袋区一般由几块型材板通过组焊而成。为了确保侧门的拉开空间，侧墙门口处设计成一个一体化的箱形结构。
3 结构优化和对比分析
3.1侧门结构举例介绍
速度较低的铝合金车辆的车体侧门结构形式有很多，以低速铝合金车体内移门的侧门结构为例，其结构如图1：
图1 侧门结构（低速铝合金车体内移门）
侧门门框由侧门立柱、侧门上框、侧门下框和侧门门角组成，侧门立柱、侧门上框、侧门下框是通过型材加工制成，4个侧门门角是由厚的铝板加工制成。门袋区采用单层拉制型材作为外墙板，里面焊接铝板作为内墙板。
3.2 侧门结构仿真计算分析
通过对车体在各种工况条件下的仿真计算分析和车体有限元摸态分析，侧门结构的刚度、静强度、疲劳强度、车体模态满足标准要求。车体按±4kPa交变载荷考核，气密疲劳强度满足标准，适应目前运件。±4kPa载荷下，应力分布图见图2，±6kPa载荷下，应力分布图见图3。
图2 ±4kPa载荷下，应力分布图
图3 ±6kPa载荷下，应力分布图
3.3 侧门结构试验测试分析
对车体气密强度试验测试，在±4kPa 气压载荷作用下，最大应力位置主要在门角、窗角处，所有测点的应力均未超过所用材料的疲劳极限。门袋区结构满足车体结构要求。但是有的测点在车体±4kPa载荷下，应力值为37.9MPa，接近疲劳极限39MPa。当车辆运行速度级别提高时，气密疲劳强度要求就相应提高，安全系数也要提高。达到一定速度，如350km/h时，气密疲劳强度要求就要提高到±6kPa ，所以门袋区部位要加强。
3.4 仿真计算和试验测试结果对比分析
对比仿真计算和试验的测点应力值结果，仿真计算和试验的结果是有差异的，特别是门袋区和底架边梁的连接焊缝部位的应力值差别特别大，外焊缝应力在±4kPa载荷下，计算结果是3.24MPa，试验结果是37.9MPa，内焊缝计算结果是5.63MPa，试验结果是1.4MPa。
分析仿真计算和试验结果出现差异的原因：仿真计算模型是把内墙板和外墙板型材作为一个整体计算，忽略焊缝，类似于双层型材结构，内墙板和外墙板型材之间有良好的气密性，给予车体一定的气密载荷，门袋区结构的应力趋于分散，没有过大应力部位。而试验是用实际车体结构为模型，门袋区结构是内墙板和外墙板型材采用内墙板周圈断续焊，中间塞焊的方式连接的，内墙板和外墙板型材的气密性很差，当在给定的气密载荷下，墙板应力通过外墙板型材传递至门袋区外墙板和底架边梁连接的外部焊缝处，形成应力集中，导致该部位应力值过大，在±4kPa载荷下，该部位应力值为37.9MPa，接近于焊缝疲劳极限39MPa。综合仿真计算和试验结果分析，在气密强度为±6kPa的条件下，门袋区结构必须加强，由仿真计算和试验结果分析，门袋区采用双层中空型材结构是比较好的，静强度、刚度和气密强度都有较大的提高。
3.5 侧门结构优化
根据对上述侧门结构的仿真计算和试验分析的结果，速度级别比较高时，车体门袋区结构应采用双层中空型材结构，型材厚度应达到相应的厚度。根据计算和试验分析的结果，优化门袋区结构，见图4。
图4 侧门结构（优化后）
对优化后的侧门结构在各种工况条件下的计算分析，车体侧门结构的刚度、静强度、疲劳强度满足标准要求。
对优化后的侧门结构的气密强度计算分析：±6kPa载荷下，焊缝处应力：17.3MPa；母材应力：30.48MPa。气密强度满足标准要求。原结构±4kPa载荷下，焊缝处应力：10.7MPa；母材应力：28.3MPa。应力对比图见图5。
图5 原结构（+4kPa）和优化后（+6kPa）气密强度应力
对比分析图
计算结果分析，门袋区30mm厚双层中空型材结构的强度、刚度、气密强度有一定的余量，基于满足车体静强度、刚度和气密强度的要求下，车体轻量化设计的原则，对30mm厚双层中空型材结构进行壁厚减小的优化处理，根据安全系数的选择最终确定型材结构。
门袋区双层中空型材结构对车体的减振降噪效果也有很大的提升，减小了侧门区域的振动和噪声，提高了旅客乘车的舒适性。为更好的隔声降噪，可在门袋区的双层中空型材的型腔内增设减振隔音材，在墙板内表面涂一层降噪材料（如阻尼浆等）。
4 结论
根据上面的分析，当车辆运行速度提高时，对车体的静强度、刚度和气密强度等要求相应提高。达到一定速度级时（350km/h），气密载荷达到+6kPa。车体侧门结构需要优化设计来提高其承载能力，根据对侧门结构的仿真计算和试验分析的结果，速度级别比较高时，车体门袋区采用达到一定厚度的双层中空型材结构，其承载能力比较好，而且可以提升车体的减振降噪效果，提高旅客乘车的舒适性。在设计车体侧门结构时，应根据车辆运行速度、外部环境对车体承载的影响和应力的分布情况来设计其结构。在设计结构满足静强度、刚度和气密强度等要求的基础上，进一步考虑结构对车体减振降噪的影响，以提高乘坐的舒适性。
关键词：动车组 铝合金车体 侧门结构 优化设计
1 引言
随着速度等级的提升，动车组铝合金车体对静强度、刚度、气密疲劳强度等要求都有了很大的提高。通过对动车组铝合金车体的仿真计算、试验及运行数据分析，车体侧门结构部位的气密疲劳强度相对较弱，安全系数相对较低。为了满足更高速度等级车体的气密疲劳强度要求，通过结构设计、对比分析、仿真计算、试验验证等提出了一些结构形式，对侧门结构进行优化设计分析。
2 侧门结构简介
侧门结构由门框和门袋区组成，门框与门袋区及侧墙主体结构连接，是乘客上下车辆的出入口；门袋区与门框及侧墙主体结构连接，是侧门开门时，侧门和机构等部件放置区域，用于放置和保护侧门和机构等部件。门框一般由立柱、门角、上门框、下门框组成，门袋区一般由几块型材板通过组焊而成。为了确保侧门的拉开空间，侧墙门口处设计成一个一体化的箱形结构。
3 结构优化和对比分析
3.1侧门结构举例介绍
速度较低的铝合金车辆的车体侧门结构形式有很多，以低速铝合金车体内移门的侧门结构为例，其结构如图1：
图1 侧门结构（低速铝合金车体内移门）
侧门门框由侧门立柱、侧门上框、侧门下框和侧门门角组成，侧门立柱、侧门上框、侧门下框是通过型材加工制成，4个侧门门角是由厚的铝板加工制成。门袋区采用单层拉制型材作为外墙板，里面焊接铝板作为内墙板。
3.2 侧门结构仿真计算分析
通过对车体在各种工况条件下的仿真计算分析和车体有限元摸态分析，侧门结构的刚度、静强度、疲劳强度、车体模态满足标准要求。车体按±4kPa交变载荷考核，气密疲劳强度满足标准，适应目前运件。±4kPa载荷下，应力分布图见图2，±6kPa载荷下，应力分布图见图3。
图2 ±4kPa载荷下，应力分布图
图3 ±6kPa载荷下，应力分布图
3.3 侧门结构试验测试分析
对车体气密强度试验测试，在±4kPa 气压载荷作用下，最大应力位置主要在门角、窗角处，所有测点的应力均未超过所用材料的疲劳极限。门袋区结构满足车体结构要求。但是有的测点在车体±4kPa载荷下，应力值为37.9MPa，接近疲劳极限39MPa。当车辆运行速度级别提高时，气密疲劳强度要求就相应提高，安全系数也要提高。达到一定速度，如350km/h时，气密疲劳强度要求就要提高到±6kPa ，所以门袋区部位要加强。
3.4 仿真计算和试验测试结果对比分析
对比仿真计算和试验的测点应力值结果，仿真计算和试验的结果是有差异的，特别是门袋区和底架边梁的连接焊缝部位的应力值差别特别大，外焊缝应力在±4kPa载荷下，计算结果是3.24MPa，试验结果是37.9MPa，内焊缝计算结果是5.63MPa，试验结果是1.4MPa。
分析仿真计算和试验结果出现差异的原因：仿真计算模型是把内墙板和外墙板型材作为一个整体计算，忽略焊缝，类似于双层型材结构，内墙板和外墙板型材之间有良好的气密性，给予车体一定的气密载荷，门袋区结构的应力趋于分散，没有过大应力部位。而试验是用实际车体结构为模型，门袋区结构是内墙板和外墙板型材采用内墙板周圈断续焊，中间塞焊的方式连接的，内墙板和外墙板型材的气密性很差，当在给定的气密载荷下，墙板应力通过外墙板型材传递至门袋区外墙板和底架边梁连接的外部焊缝处，形成应力集中，导致该部位应力值过大，在±4kPa载荷下，该部位应力值为37.9MPa，接近于焊缝疲劳极限39MPa。综合仿真计算和试验结果分析，在气密强度为±6kPa的条件下，门袋区结构必须加强，由仿真计算和试验结果分析，门袋区采用双层中空型材结构是比较好的，静强度、刚度和气密强度都有较大的提高。
3.5 侧门结构优化
根据对上述侧门结构的仿真计算和试验分析的结果，速度级别比较高时，车体门袋区结构应采用双层中空型材结构，型材厚度应达到相应的厚度。根据计算和试验分析的结果，优化门袋区结构，见图4。
图4 侧门结构（优化后）
对优化后的侧门结构在各种工况条件下的计算分析，车体侧门结构的刚度、静强度、疲劳强度满足标准要求。
对优化后的侧门结构的气密强度计算分析：±6kPa载荷下，焊缝处应力：17.3MPa；母材应力：30.48MPa。气密强度满足标准要求。原结构±4kPa载荷下，焊缝处应力：10.7MPa；母材应力：28.3MPa。应力对比图见图5。
图5 原结构（+4kPa）和优化后（+6kPa）气密强度应力
对比分析图
计算结果分析，门袋区30mm厚双层中空型材结构的强度、刚度、气密强度有一定的余量，基于满足车体静强度、刚度和气密强度的要求下，车体轻量化设计的原则，对30mm厚双层中空型材结构进行壁厚减小的优化处理，根据安全系数的选择最终确定型材结构。
门袋区双层中空型材结构对车体的减振降噪效果也有很大的提升，减小了侧门区域的振动和噪声，提高了旅客乘车的舒适性。为更好的隔声降噪，可在门袋区的双层中空型材的型腔内增设减振隔音材，在墙板内表面涂一层降噪材料（如阻尼浆等）。
4 结论
根据上面的分析，当车辆运行速度提高时，对车体的静强度、刚度和气密强度等要求相应提高。达到一定速度级时（350km/h），气密载荷达到+6kPa。车体侧门结构需要优化设计来提高其承载能力，根据对侧门结构的仿真计算和试验分析的结果，速度级别比较高时，车体门袋区采用达到一定厚度的双层中空型材结构，其承载能力比较好，而且可以提升车体的减振降噪效果，提高旅客乘车的舒适性。在设计车体侧门结构时，应根据车辆运行速度、外部环境对车体承载的影响和应力的分布情况来设计其结构。在设计结构满足静强度、刚度和气密强度等要求的基础上，进一步考虑结构对车体减振降噪的影响，以提高乘坐的舒适性。