随着中国经济的发展，列车凭借其方便、舒适、高速等优点，已经成为越来越重要的交通工具。虽然中国的列车研发起步较晚，但由于吸收国外先进技术经验和不断地探索创新，加上广阔的使用需求，使中国CRH与法国TGV、德国ICE、日本新干线一起并列成为世界高铁四巨头。

在全世界要求节能环保的呼声日益高涨的大形势下，高速铁路正向轻量化、低能耗方向发展。轻量、高速、重载和绿色也是列车发展的风向标。其中，列车的轻量化可以减轻列车自重，提高列车速度，减少排放，符合绿色发展。若选取合适的材料，并设计合理的结构，也能提高其承载能力。而目前实现列车轻量化主要有两种方式：其一为选取合适的材料；其二为优化车身结构，减少不必要的尺寸^[1]。铝的密度是钢的三分之一，铝合金材料拥有质量轻、强度高、耐腐蚀和加工性能好等优点，不锈钢材料具有耐腐蚀、寿命周期长和耐高温的优点。车体作为载体，是列车的主要承载部件之一，应具有一定的强度和刚度，确保列车行驶的安全性和稳定性。目前，世界各国的碳钢车体已逐渐停止制造，转为不锈钢和铝合金车体。但是，由于不锈钢车体的密封性不好，因此只适用在城市轨道车辆和中等运行速度的铁路车辆上，而铝合金车体既能在城市轨道车辆上使用，还可以在高速铁路列车上使用。

1896年，法国最早在铁道车辆中使用铝合金材料，用于制造客车窗框。1923 年至1932年，美国有将近700辆电动车和客车的车顶和侧墙板使用了铝合金^[2]。在日本的铁道车辆上，从1962年的山阳电铁2000系开始制造铝合金车体，其轻量化的设计取得良好的经济效益，因此得到快速发展，在到1999年的37年间制造铝合金车体列车达到一万辆^[3]。我国研发铝合金车体较晚，长春客车厂于1989年依据日本地铁车辆的模型研发制造了我国第一辆铝合金车体^[4]；于1996年参照 ICE2 型结构的铝合金车体，研制出我国第一辆闭式和开式型材混合结构铝合金车体^[5]；于2001年组建了我国首条铝合金车体自动化焊接生产线^[6]。近年来中国动车组发展速度非常快，运行速度高于200km/h的动车组和磁悬浮车体均需要使用铝合金材料，中国目前的和谐号动车组除CRH1使用不锈钢车身之外，CRH2、CRH3H和CRH5均采用的是铝合金车身。

在列车轻量化的发展过程中，铝合金成为目前车身材料选择的主流，未来可能会被更加轻量的镁合金和复合材料取代。目前镁合金在成型、加工、焊接及耐腐蚀等方面存在诸多问题，且价格昂贵，因此还难以在短期内达到产业化、规模化应用水平^[7]。在中国，“蓝箭”机车组及“中华之星”高速列车上已经成功应用复合材料。在制造司机室车头盖方面，采用RTM工艺成功研制了蓝箭机车司机室前鼻端、手糊工艺整体工艺成型蓝箭机车司机室导流罩；采用无碱玻璃布增强191^#不饱和聚酯树脂手糊成型中华之星机车车头盖^[8]，二者目前已停止运营。意大利ETR500车头使用了芳纶纤维增强环氧复合材料；法国TGV双层挂车使用的是碳和玻璃纤维强化环氧复合材料；日本新干线的高速客车内饰选用的是玻璃钢材料^[9]。可以看出国外将复合材料应用在制造高速列车上已经取得了很多实际经验和成果，而国内在轨道交通领域针对复合材料开展深入研发工作还处于试验阶段。但是目前复合材料结构刚度很难满足高速列车的设计需要，且造价成本过高，因此只是局部运用于列车的制造上。随着以后的技术突破可能会取代铝合金成为列车车身使用的主流材料，但就目前和以后的一段时间内，铝合金仍是列车车身材料的最佳选择。因此本课题对列车车身的结构分析和优化设计仍具有一定的参考价值。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容与目标：

通过查阅相关文献，综合利用所学专业知识，了解列车车身的基本结构，掌握铝合金材料设计的基本原理，针对列车铝合金车身与成型工艺，设计其具体结构与建模工作，并利用所学基本知识及有限元分析软件，完成铝合金车身部件的分析与校核工作。

（1）了解铝合金材料设计的基本原理和成型工艺，明确车身选用铝合金的原因和优势；

（2）了解列车车身结构的特点，确认车身各结构选用的铝合金具体型号和加工工艺；

（3）参考某列车车身设计参数，并对车身结构进行适当的简化，建立设计车身结构的几何模型；

（4）依据车身的几何模型，建立该车身的有限元模型；