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摘要：高速动车组的速度在不断提升，在提升牵引功率的同时，为了降低能耗，降低车辆的结构重量同样关键。一列动车组，铝合金车体的重量约占整车重量的五分之一。本文从计算和试验评价标准、复合材料的应用、7000系铝合金的应用三个方面阐述了高速动车组铝合金车体的轻量化思路，供后续设计参考和研究。
关键词：动车组;铝合金;车体;轻量化
引言
目前，国内外超过200km/h速度等级的高速列车车体材料基本都是铝合金，是因为铝合金车体具有以下优点：1）能大幅度降低车辆自重，在相同条件下，与钢质车相比自重降低约30%～35%。2）具有较小的密度及杨氏模量，对冲击载荷有较高能量吸收能力。3）可运用大型中空挤压型材进行气密性设计，提高车辆密封性能。4）采用大型中空挤压型材制造的板块式结构，可减少车体同设备之间连接元件的重量与数量。5）可设计性强，成型容易，整车焊接量小，制造成本低。
尽管目前的铝合金车体重量已经很轻，但随着高速列车速度的不断提升，为了节省牵引功率，降低列车的运行能耗，减少车辆对线路的冲击，提高车辆的启动加速度及制动减速度，仍需要对铝合金车体做进一步的轻量化研究，根据近几年的大量试验及实际车辆运用经验分析，高速动车组铝合金车体可以从计算和试验评价标准优化、复合材料应用、7000系铝合金应用、工况优化等方面进行轻量化。
1.计算和試验评价标准优化
近几年研发的高速动车组中，大部分铝合金车体都采用了搅拌摩擦焊技术，但是只用到了搅拌摩擦的焊接变形小及焊缝成型稳定的优点，并没有应用到焊接接头强度更高的优势。在进行车体结构强度校核和试验时，搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳强度和静强度是用相对应的弧焊标准进行替代的，偏于保守。通过大量的搅拌摩擦焊与MIG焊的焊接接头性能对比（轨道车辆的车钩座和裙板）表明，采用搅拌摩擦焊的铝合金焊接接头性能明显优于传统MIG焊，MIG焊接头的屈服强度约为母材的65%，FSW接头的屈服强度可达到母材的80%。同时，搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能也优于MIG焊。如果后续用搅拌摩擦焊的实际数据进行计算和试验，牵枕缓区域的结构不仅可以得到优化，重量也会降低很多。
在对铝合金车体静强度分析和试验时，目前采用的评价标准为EN 1999-1-2007，以EN AW-6005A-T6状态铝合金为例，母材的屈服强度为200MPa，焊接接头的屈服强度为115MPa，而在众多的实际测试中，焊接接头的屈服强度都能达到母材的65%。说明在目前焊接工艺水平、工艺稳定性、原材料品质都得到提升的情况下，焊接接头的性能也得到了改善，而标准中的数据为不同的工艺水平总结出的过于安全、偏保守的数据。所以，建议以后的车体计算和试验评价标准值应该用试验值，因为这样更能反应出样件的实际工艺影响和具体结构影响。同时，用此方法进行评价，能更有效的降低车体的重量。
在对铝合金车体疲劳强度进行分析时，目前采用的评价标准为国际焊接学会的IIW2008标准或德国的DVS标准。在计算时，首先要确定焊接接头形状，与标准中的接头类型进行对比，确定许用应力或S-N曲线。实际在具体的项目执行过程中发现，标准中的焊接接头与项目中应用的焊接接头很多都不一致，等于在开始计算时已经做了假定，而且为了保守起见，一般都选偏安全的焊接接头为参考对象，导致余量过大。所以，建议以后的车体计算评价标准值应该用试验S-N曲线，这样更能反应出样件的实际工艺影响和具体结构影响。同时，用此方法进行评价，能更有效降低车体的重量。
国内的动车组都要对铝合金车体进行气动载荷的承受能力评估，包括静强度和疲劳气密强度，250km/h速度等级的动车组一般按±4000Pa进行校核，350km/h速度等级的动车组一般按±6000Pa进行校核。通过线路空气动力学测试发现，计算时车身全部区域都按同一数值校核偏于保守，实际车身大部分区域的气动载荷值都达不到这个值。其次，疲劳气密强度都按1000万次进行评估过于苛刻，根据目前中国高铁的线路建设情况及每年列车的服役情况进行分析，疲劳气密强度的次数在25万次左右比较合适。如果按1000万次或200万次进行校核，会导致车体结构过设计。所以根据车辆实际运用线路条件及车体不同区域受载不同去校核铝合金车体的气密强度更有利于车体结构的轻量化。
2.复合材料应用
近几年，国内的工业用复合材料发展非常迅速，尤其是碳纤维材料，而且也在轨道交通行业陆续进行了尝试，虽然尚未大批量应用到所有结构，但其一些优良性能已经得以充分的展示和验证。碳纤维很轻而且强度高，这些都是制造车体结构的优势，但是受制于目前生产工艺的稳定性、失效检测手段欠缺、验证评价标准不统一、实际运用经验较少等因素的制约，碳纤维材料还不能完全替代铝合金应用到高速动车组的车体主体结构上，但高速动车组车体上的一些附属结构完全可以用碳纤维材料进行替代，比如车内的连接件和密封件，如果这些连接件用复合材料进行替代，在保证强度的同时，其减振效果更加优良，而且为车体的轻量化贡献显著，板梁结构车体减重效果更加明显。
37000系铝合金应用
7000系铝合金在轨道交通行业已经有很多年的应用业绩，尤其是日本的高速公车组，为了车体的轻量化和高承载需求，车体很多主承载结构用的都是7000系铝合金，这得益于日本7000系铝合金的质量较高，无论是板材还是型材，其性能远远优于国内同等牌号的材料。国内很多车辆的车体结构也应用了7000系铝合金，包括高速动车组的车体和城铁车的车体，但因为一些原材料的质量问题，目前用量在逐渐的减少。分析7000系铝合金曾经在车辆上出现的问题，其实主要有两方面的原因，一是国内的材料抗腐蚀能力较差，包括抗疲劳腐蚀、抗应力腐蚀和抗剥离腐蚀，二是对材料的焊接工艺控制还不是很成熟，当原材料的质量不是很好时，再加上焊接的影响，问题就会更加突出。以上问题如果从原材料加以控制，并加以充分的试验验证，完全可以得到解决。7000系铝合金中的7020牌号铝合金的焊接接头屈服强度为205MPa，而6005A的焊接接头屈服强度为115MPa，如果7000系铝合金替代目前的6000系铝合金在车体上得以大批量的使用，车体至少能减重0.6t。
4.结语
抓住设计过程中的主要矛盾和次要矛盾，仔细分解车辆运行环境和应用工况，充分发挥材料的可设计性，通过对评价标准的优化、复合材料的应用和7000系铝合金的应用，可进一步的降低高速动车组铝合金车体的重量。
参考文献
[1] 常树民，马纪军，铝合金车体结构设计构思，2004，9。
[2] 王立航，方吉，马纪军. 铝合金车体疲劳寿命预测新方法及其应用，2010，6。
（作者单位：中车长客股份有限公司车体研发部）
关键词：动车组;铝合金;车体;轻量化
引言
目前，国内外超过200km/h速度等级的高速列车车体材料基本都是铝合金，是因为铝合金车体具有以下优点：1）能大幅度降低车辆自重，在相同条件下，与钢质车相比自重降低约30%～35%。2）具有较小的密度及杨氏模量，对冲击载荷有较高能量吸收能力。3）可运用大型中空挤压型材进行气密性设计，提高车辆密封性能。4）采用大型中空挤压型材制造的板块式结构，可减少车体同设备之间连接元件的重量与数量。5）可设计性强，成型容易，整车焊接量小，制造成本低。
尽管目前的铝合金车体重量已经很轻，但随着高速列车速度的不断提升，为了节省牵引功率，降低列车的运行能耗，减少车辆对线路的冲击，提高车辆的启动加速度及制动减速度，仍需要对铝合金车体做进一步的轻量化研究，根据近几年的大量试验及实际车辆运用经验分析，高速动车组铝合金车体可以从计算和试验评价标准优化、复合材料应用、7000系铝合金应用、工况优化等方面进行轻量化。
1.计算和試验评价标准优化
近几年研发的高速动车组中，大部分铝合金车体都采用了搅拌摩擦焊技术，但是只用到了搅拌摩擦的焊接变形小及焊缝成型稳定的优点，并没有应用到焊接接头强度更高的优势。在进行车体结构强度校核和试验时，搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳强度和静强度是用相对应的弧焊标准进行替代的，偏于保守。通过大量的搅拌摩擦焊与MIG焊的焊接接头性能对比（轨道车辆的车钩座和裙板）表明，采用搅拌摩擦焊的铝合金焊接接头性能明显优于传统MIG焊，MIG焊接头的屈服强度约为母材的65%，FSW接头的屈服强度可达到母材的80%。同时，搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳性能也优于MIG焊。如果后续用搅拌摩擦焊的实际数据进行计算和试验，牵枕缓区域的结构不仅可以得到优化，重量也会降低很多。
在对铝合金车体静强度分析和试验时，目前采用的评价标准为EN 1999-1-2007，以EN AW-6005A-T6状态铝合金为例，母材的屈服强度为200MPa，焊接接头的屈服强度为115MPa，而在众多的实际测试中，焊接接头的屈服强度都能达到母材的65%。说明在目前焊接工艺水平、工艺稳定性、原材料品质都得到提升的情况下，焊接接头的性能也得到了改善，而标准中的数据为不同的工艺水平总结出的过于安全、偏保守的数据。所以，建议以后的车体计算和试验评价标准值应该用试验值，因为这样更能反应出样件的实际工艺影响和具体结构影响。同时，用此方法进行评价，能更有效的降低车体的重量。
在对铝合金车体疲劳强度进行分析时，目前采用的评价标准为国际焊接学会的IIW2008标准或德国的DVS标准。在计算时，首先要确定焊接接头形状，与标准中的接头类型进行对比，确定许用应力或S-N曲线。实际在具体的项目执行过程中发现，标准中的焊接接头与项目中应用的焊接接头很多都不一致，等于在开始计算时已经做了假定，而且为了保守起见，一般都选偏安全的焊接接头为参考对象，导致余量过大。所以，建议以后的车体计算评价标准值应该用试验S-N曲线，这样更能反应出样件的实际工艺影响和具体结构影响。同时，用此方法进行评价，能更有效降低车体的重量。
国内的动车组都要对铝合金车体进行气动载荷的承受能力评估，包括静强度和疲劳气密强度，250km/h速度等级的动车组一般按±4000Pa进行校核，350km/h速度等级的动车组一般按±6000Pa进行校核。通过线路空气动力学测试发现，计算时车身全部区域都按同一数值校核偏于保守，实际车身大部分区域的气动载荷值都达不到这个值。其次，疲劳气密强度都按1000万次进行评估过于苛刻，根据目前中国高铁的线路建设情况及每年列车的服役情况进行分析，疲劳气密强度的次数在25万次左右比较合适。如果按1000万次或200万次进行校核，会导致车体结构过设计。所以根据车辆实际运用线路条件及车体不同区域受载不同去校核铝合金车体的气密强度更有利于车体结构的轻量化。
2.复合材料应用
近几年，国内的工业用复合材料发展非常迅速，尤其是碳纤维材料，而且也在轨道交通行业陆续进行了尝试，虽然尚未大批量应用到所有结构，但其一些优良性能已经得以充分的展示和验证。碳纤维很轻而且强度高，这些都是制造车体结构的优势，但是受制于目前生产工艺的稳定性、失效检测手段欠缺、验证评价标准不统一、实际运用经验较少等因素的制约，碳纤维材料还不能完全替代铝合金应用到高速动车组的车体主体结构上，但高速动车组车体上的一些附属结构完全可以用碳纤维材料进行替代，比如车内的连接件和密封件，如果这些连接件用复合材料进行替代，在保证强度的同时，其减振效果更加优良，而且为车体的轻量化贡献显著，板梁结构车体减重效果更加明显。
37000系铝合金应用
7000系铝合金在轨道交通行业已经有很多年的应用业绩，尤其是日本的高速公车组，为了车体的轻量化和高承载需求，车体很多主承载结构用的都是7000系铝合金，这得益于日本7000系铝合金的质量较高，无论是板材还是型材，其性能远远优于国内同等牌号的材料。国内很多车辆的车体结构也应用了7000系铝合金，包括高速动车组的车体和城铁车的车体，但因为一些原材料的质量问题，目前用量在逐渐的减少。分析7000系铝合金曾经在车辆上出现的问题，其实主要有两方面的原因，一是国内的材料抗腐蚀能力较差，包括抗疲劳腐蚀、抗应力腐蚀和抗剥离腐蚀，二是对材料的焊接工艺控制还不是很成熟，当原材料的质量不是很好时，再加上焊接的影响，问题就会更加突出。以上问题如果从原材料加以控制，并加以充分的试验验证，完全可以得到解决。7000系铝合金中的7020牌号铝合金的焊接接头屈服强度为205MPa，而6005A的焊接接头屈服强度为115MPa，如果7000系铝合金替代目前的6000系铝合金在车体上得以大批量的使用，车体至少能减重0.6t。
4.结语
抓住设计过程中的主要矛盾和次要矛盾，仔细分解车辆运行环境和应用工况，充分发挥材料的可设计性，通过对评价标准的优化、复合材料的应用和7000系铝合金的应用，可进一步的降低高速动车组铝合金车体的重量。
参考文献
[1] 常树民，马纪军，铝合金车体结构设计构思，2004，9。
[2] 王立航，方吉，马纪军. 铝合金车体疲劳寿命预测新方法及其应用，2010，6。
（作者单位：中车长客股份有限公司车体研发部）