（载运工具运用工程专业论文）提速客车车体轻量化问题的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着铁路运输速度的提高，车辆的轻量化显得越来越重要，减 轻车辆自重，不仅可以减少原材料的消耗，有利于降低牵引功率， 提高列车的运行速度，改善列车的启动和制动性能，而且可以有效 的减少轮轨间的动力作用，减少振动和噪音，增加车辆和线路的使 用寿命，节约运输成本。在客车的自重中车体承载结构占有相当 大的比重，因此，在车辆轻量化的过程中，车体承载结构的轻量化 显得尤为重要。 车体承载的结构轻量化，要保证车体的强度、剐度、动态特性和 耐碰撞性等满足提速客车的要求。本文利用a n s y s 软件建立了2 5 k 硬卧客车车体轻量化前后的有限元模型，计算了车体的强度、刚度 和模态，并对轻量化前后的车体作了对比分析：然后，用n u c a r s 动力学分析软件建立了2 5 k 硬卧客车系统的数学模型，分析了弹性 振动对平稳性的影响，并对刚性车体和轻量化前后的弹性车体对平 稳性和加速度响应的影响作了对比分析；最后用a n s y s l s d y n a 软件建立了2 5 k 硬卧客车车体轻量化前后的动态显式有限元模型， 分别在5 8 m s 和1 1 8 m l s 的速度下碰撞刚性墙，得到了车体的相对位 移、速度、加速度和能量的变化过程，并作了对比分析。 本文的研究工作为提速客车车体的轻置化提供了理论基础。 一关键词：客车车体；轻量化；强度；模态；平稳性；碰撞 西南交通大学硕士研究生学位论文第fl 页 a b s t r a c t w i t ht h es p e e du po fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，t h el i g h t e n i n gd e s i g n o fv e h i c l es e e n l st ob em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t 。r e d u c i n gt h e w e i g h t o fv e h i c l ec a nn o to n l yr e d u c et h ec o n s u m p t i o no ft h er a wm a t e r i a l s a n dt h e p o w e ro ft r a c t i o n ，a n d i n e r e a s et h e o p e r a t i o ns p e e d a n d i m p r o v et h es t a r t i n ga n db r a k i n gp e r f o r m a n c eo ft r a i n s ，b u ta l s oh a s t h e a d v a n t a g e o u st o r e d u c et h ew h e e l r a i li n t e r a c t i o nf or c e s v i b r a t i o n a n dn o l s e ，l n c r e a s et h es e r v i c el i ao ft h ev e h i c l ea n dt h et r a c k a n d e c o n o m i z et h ec o s to ft r a n s d o r t a t i o n i n t h ed e a d w e i g h t o ft h e p a s s e n g e rc a r , t h ec a rb o d yo c c u p i e st h ei l l o s tp a r to ft h ew e i g h t s oi n t h ec o u r s e o f l i g h t e n i n g o ft h ev e h i c l e ，t h e l i g h t e n i n g o fc a r b o d y s t r u c t u r eisv e r yi m p o r t a n t t h e l i g h t e n i n gd e s i g n o fv e h i c l es h o u l d g u a r a n t e e t h e s t r e n g t h ， s t i f f n e s s ，m o d ea n der a s h w o r t h i n e s so ft h ec a rb o d yi nt h ec o n d i t i o no f r a i s i n gt r a i ns p e e d ，t h i st h e s i su t i l i z e sa n s y ss o f t w a r et o s e tu pt w o f i n i t ee l e m e n tm o d e l so f t y p e 2 5 kh a r db e r t h p a s s e n g e rc a rb o d y b e f o r ea n da f t e r l i g h t e n i n g t h es t r e n g t h ，s t i f f n e s s a n dm o d eo fc a r b o d yh a v eb e e nc a l c u l a t e da n dc o m p a r e df 0 rt h et w om o d e l s t h e nt h e d y n a m i cm o d e lo ft h ep a s s e n g e rc a rs y s t e mu s i n gn u c a r sd y n a m i c s o f t w a r ch a sb e e ns e t t t p t h ee f i e c to fc a rb o d ye l a s t i cv i b r a t i o no n t h e r i d ec o m f o r ti s a n a l y z e d t h e r i d ec o m f o r ta n d a c c e l e r a t i o n r e s p o n s e so ft h e c a rs y s t e mw j t hr i g i dc a r b o d yr o o d e jo re l a s t i cc a r b o d y m o d e la r cs t u d i e da n d c o m p a r e d f i n a l l yb yu s i n g a n s y s l s d y n as o f t w a r e t h ef i n i t ee l e m e n t i m p a c tm o d e l so fc a r b o d y w i t ha r i g i d w a i jh a v eb e e ns e t u p t h e n t h e d i s p i a c e m e n t v e l o c i t y ，a c c e l e r a t i o n a n d e n e r g y v a r i a t i o n0 ft h ec a rb o d y a r e a n a l y z e da n dc o m p a r e df o rb e f o r ea n da f t e r2 i g h t e n i n gc a s e su n d e rt h e c o n d i t i o no fi m p a c ts p e e d5 8 m i sa n d11 8 m s t h ew o r ko ft h ist h es i s p r o v i d e st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e c a rb o d y l i g h t e n i n go fs p e e du pp a s s er l g e re a r s 、 k e yw o r o s ：p a s s e n g e rc a rb o d y ；l i g h t e n i n g ；s t r e n g t h ；m o d e ； r i d ec o m f o r t ；i m p a c t 。一。7 。_ 。- _ 。- 。- 1 _ _ y - _ _ _ _ - _ _ 、_ _ _ _ _ - - _ _ ，_ _ 。- 。_ _ _ 。，。_ _ 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 在交通运输市场激烈竞争的今天，提高铁路运输的速度势在必行： 现代科学技术的快速发展，给铁路的发展也带来了前所未有的机遇和 挑战。运量大、运行速度高、能量消耗低、污染小和运输成本低等特 点，显示出提速后铁路运输的巨大生命力。随着我国国民经济的发展， 铁路已进行了四次大提速，产生了良好的社会效益及巨大的经济效益， 它可以显著缓解交通运输的压力，促进我国经济的快速发展，并带动 沿线地方经济的高速发展。 在提速技术中，车体承载结构轻量化的研究是不可缺少的一部分。 车体轻量化是车辆设计制造水平的集中体现，甚至代表着一个国家的 工业化水平。目前我国提速客车车体轻量化工作比较落后车体自重 较大，造成轮轨间的动作用力较大、列车和线路维修费用较高、动力 消耗和制造成本较高等问题。车体轻量化主要是通过优化车体结构、 采用不锈钢和铝合金等新材料来实现。同时，车体轻量化又是一项艰 巨的系统工程它不仅包括车体承载结构的轻量化，还包括内装及其 它车辆设备、结构件的轻置化。在考虑减轻车体自重的时候，首先要 考虑在确保车体强度、刚度和动态特性的前提下，尽量实现车体承载 结构的轻量化。 而且随着列车运行速度的提高，运行安全性也成为一个不可忽视 的重要问题。在国外列车碰撞问题的研究正越来越受到人们的关注 各国学者从各方面进行了车辆碰撞研究，在我国对铁路车辆碰撞问题 的研究刚刚开始。铁路车辆碰撞是造成铁路运输乘客伤亡的主要原因 之。在发生碰撞时车辆可能产生直线加速或减速、拱起、摺曲和翻 转等动态响应。在碰撞发生时产生一次碰撞和二次碰撞一次碰撞使 车辆结构产生太的破坏而使车厢的空问减少，使乘客或司机受挤压造 成伤亡事故；二次碰撞使乘客和车辆间产生相对运动，乘客与车辆内 部结构产生碰撞或被抛出车厢造成伤亡事故。减少一次碰撞损坏程度 的措施是把车辆的主要承载结构设计得足够强，在碰撞发生时车辆结 构不会被挤压到对乘客造成伤害。要减少二次碰撞的影响就要使车辆 碰撞后产生一定的压溃行程，由此减少碰撞的减速度来减少对乘客的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 伤害，这就要使车辆做得尽量软n ，。 1 2 提速客车的轻量化问题 1 2 1 提速客车轻量化的意义 提速客车轻量化是车辆设计工作者追求的目标，具体轻量化的意 义如下m ： ( 1 )降低原材料消耗，降低车辆的制造成本； ( 2 )节省牵引动能，降低列车的运行费用； ( 3 ) 减少车辆对线路的冲击及减轻线路维护工作量； ( 4 ) 提高车辆的启动加速度及制动减速度提高列车的运行速度及 曲线通过速度。 随着我国国民经济的发展，铁路已进行了四次大提速，产生了良好 的社会效益及巨大的经济效益。由于提速客车数量巨大涉及面广， 它的稍许改进效果都将十分明显，因此，其轻量化也更有意义，有利 于提高我国铁路客车的总体技术水平，有利于铁路客运经济效益的提 高同时，对我国高速客车的轻量化设计也具有相当的指导意义。 1 2 2 提速客车轻量化的原则 ( 1 ) 车体轻量化往往会带来车体刚度不足等缺点，引起车体振动恶 化、车内噪声较大，乘坐舒适度降低等问题。因此，车体的轻量化以 车体强度、刚度、车内噪声、平稳性指标等满足相关标准要求为原则； ( 2 ) 在现有提速客车断面及主体结构下进行以不至于给现有工艺 ( 工艺流程、胎具、模具等) 带来太大的不便； ( 3 )学术研究和现车生产想结合； ( 4 ) 等强度设计； ( 5 ) 以结构优化为主，兼顾采用新材料： ( 6 ) 简化工艺： ( 7 ) 注意防腐设计： ( 8 ) 某螳部位、结构具有推广价值n 。 1 2 3 提速客车轻量化的难点 ( 1 ) 目前提速客车结构已定型，轻量化空问不大： ( 2 ) 现有的工艺在一定程度上限制了轻量化工作； ( 3 ) 车体的轻量化往往会带来车体刚度不足和隔声性能差等缺点， 引起车体振动恶化、车内噪声较大，乘坐舒适度降低等问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 必须实现车体强度、刚度、车内噪声、平稳性指标等满足相关标 准要求的轻量化n ，。 1 2 4 提速客车轻量化的方法 车体轻量化设计就是通过优化设计，在众多的设计方案中选出比 较好甚至最佳的设计方案，在确保车辆结构合理、车辆运行安全、舒 适度不降低的前提下，实现所选材料晟少的一种设计方法。具体讲， 一般经过以下方法来实现| ，- ： ( 1 ) 精确的理论分析： ( 2 ) 合理的设计结构： ( 3 ) 优化梁柱断面： ( 4 ) 用压型件代倍型铡： ( 5 ) 大断面梁柱开减重孔： ( 6 ) 在高应力区及易腐蚀部位采用新材料。 1 2 5 提速客车轻量化后带来的问题 ( 1 ) 刚度和强度问题； ( 2 ) 动态特性问题； ( 3 ) 舒适性和平稳性问题； ( 4 ) 安全性问题等。 1 3 提速客车车体钢结构的轻量化 1 3 1 提速客车车体钢结构 2 5 k 型硬卧客车车体钢结构为全钢焊接结构，由底架、侧墙、车 项和端墙四部分焊接而成。在侧墙、端墙、车项钢骨架外面，在底架 钢骨架的上面分别焊有侧墙板、端侧板、车顶板和纵向波纹地板及平 地板形成一个上部带圆弧下部为矩形的封闭壳体，称为薄壁筒形 车体结构。壳体内面或外面用纵向梁和横向梁、柱加强，形成整体承 载的合理结构。其中底架由缓冲梁、端梁、牵引梁、枕梁、纵向梁、 侧梁、横梁以及波纹地板和铁地板等组成；侧墙由侧墙纵向梁、窗问 小纵向梁、窗边立柱、侧墙上边梁和侧墙板等组成；端墙由端墙立柱、 横承、端角柱、门框和端墙板等组成；车项由上边梁、车顶弯梁、车 顶纵向梁、空调机组槽钢等构成钢骨架，在骨架的外面焊有车顶扳， 共同组成车顶钢结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 2 提速客车车体钢结构轻量化总结 2 5 k 型提速硬卧客车车体钢结构轻量化前后各部位重量对比见表 1 3 1 ；提速客车车体钢结构轻量化汇总见表1 3 - 2 m 。 表1 3 一l 提速客车车体钢结拘轻量化汇总表 部序名称变化内容原重量现重量实现减重 位号 ( k g )( k g )( k g ) l枕粱下盖板板厚l o m m 一8 m m1 3 l ，6 2 21 0 5 3 x 25 z 6 4 。 2枕梁上盖扳扳厚8 m m 6 m m1 1 2 2 9 28 3 6 5 25 7 2 8 3枕粱腹板扳厚1 0 m m 一8 m m5 1 0 3 44 0 ，8 2 4 4 0 8 4 4心盘座组成 简化结构、取消底 3 9 ，4 l x 21 9 4 2 x 23 9 9 8 扳 5枕梨隔板数量1 2 m m - - 8 m m3 4 7 1 23 5 l 81 3 5 6 6缓冲粱板厚6 m m 一4 m m7 4 4 3 24 9 6 2 x 24 9 6 2 7 缓冲粱下盖板扳厚8 m m 一6 m m ，减 1 1 9 x45 3 7 x42 6 1 2 小尺寸 8端粱组成扳厚6 ，5 f n r a - - 4 勰2 1 9 x 41 2 6 4 3 7 2 减小尺寸 9枕外铣地扳 扳厚2 m m 1 1 1 0 2 28 3 2 6 25 5 5 2 1 5 m m - 0 c r l 8 n i 9 底 1 0枕内横粱减少3 根，开减重孔5 0 4 2 53 9 7 4 9i 0 5 7 6 絮 1 1枕内纵向桨 取消1 1 4 2 01 1 4 z 1 2波纹地扳龊厚1 5 一7 7 66 2 0 81 5 52 1 2 m m - 0 c r l 8 n i 9 - b y 1 3牵sr 粱组成 减薄板厚、改变鲒构 3 7 5 6 22 8 0 0 9 21 9 i 0 2 1 4牵引粱“f 盏板厚晌m 一6 m m5 5 ，8 9 24 1 9 2 22 7 ，9 4 扳 1 5通过台地板扳厚2 m m 一1 5 m m3 5 0 2 22 1 0 2 x22 8 o c r l 8 n i 9 1 6侧梁槽钢1 8 0 7 0 x9 一5 4 0 0 2 23 5 4 2 6 x23 7 1 5 2 压型1 8 0 x8 0 8 0 x 6 原底架总重量( k g )轻量化底架总重量( k g )底架减重( k g ) 5 7 1 04 3 5 6 、61 3 5 3 ，4 1 8侧墙纵粱开长圆形减重孔4 1 2 63 9 2 62 0 侧塞拉门框柱槽形5 0 x 1 4 5 5 03 4 5 42 0 5 x45 6 墙1 9 x6 一榴形4 0 1 4 5 4 0 x 4 2 0侧埔附件简化3 4 02 8 25 8 原侧墙总重量( k g )轻量化侧墙总重( k g )侧墙锇重( k g ) 3 3 2 73 2 3 81 3 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1中硬扳扳厚2 m a - - 1 5 m m9 8 2 81 3 7 12 4 5 7 2 2中顶弯粱板厚2 咖一i 5 m m3 8 32 9 1 _ 48 9 ，6 2 3 空调平顶板板厚2 m m i 5 m a 1 3 1 89 8 83 3 2 4空调平顶骨架扳厚4 帕m 一3 m m ，扳8 5 26 5 31 9 9 厚4 m m 一3 m m 车 2 5端顶弯粱板厚6 m m 一4 m m2 8 31 8 49 9 项 2 6端顶横粱 板厚5 i i i m - - 4 m m3 82 5 4 1 2 6 2 7内端上横粱板厚6 m m 一4 m m5 5 43 71 8 4 2 8内端板 板厚2 m j 日- - 1 5 r a m 3 4 35 7 62 8 6 3 2 9水箱托粱措钢【1 2 一方管8 07 6 x 23 9 x 27 4 8 0 x5 3 0水箱大盖顶板板厚2 m m i 5 m m 1 2 2 59 9 12 3 4 及骨架板厚2 ，5 m m 一2 m m 3 l端顶槽钢槽钢 1 8 压型1 2 07 0 2 x23 7 7 26 5 5 0 5 0 6 原车顶总重量( k g )轻量化车顶总重量( k g )车顶减重( k g ) 3 5 5 4 12 9 3 46 2 0 ，l 3 2折棚柱组成由槽钢1 4 0 6 0 82 0 5 21 0 8 21 9 4 端改为钢板压弛 墙 3 3折棚上横粱由槽钢1 4 0 x6 0 83 2 22 4 5 21 7 改为钢板压型 3 4端墙骨槊板厚3 m 2 m m1 1 3 29 5 23 6 3 5外端板板厚3 m m 2 m m9 9 27 9 24 0 原端墙总重景 k g )轻量化端墙总重妊( k g )端j 减重 f ( 。 j o是n s m 一系垂向阻尼距转向架中心纵 i2 8 0 m m 向距离 一系垂向阻尼横向跨距2 也 i 9 5 6m m 一系垂向阻尼上作用点距轨面 8 5 0m m 高h j 一系垂向阻尼下作用点距孰蕊 4 5 3m m 高h 轴箱定位器纵向刚虞k 。、 9 5 m n m 轴箱定位器横向刚度k 。， 5 0m n c o 二系悬挂参数 二系空气簧纵向刚度( 每侧) k 。 0 3 0m n m 二系空气簧横向刚度( 每侧) k 。 0 3 0m n ，m 二系空气簧垂向刚度( 每侧) k ；。 0 3 8m n m 二系空气簧横向跨距2 d 2 2 2 s om m 空气簧下表面距轨面高h 3 5 8 0i n m 空气簧上表面距轨面高h 4 7 b o1 1 1 m 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 二系垂向阻尼( 每转向架每 6 0k n s m 侧) c 。： 二系垂向减振器横向跨距2 d 2 3 0 0m m 二系垂向减振器中央距轨面垂 6 8 0m m 向高度 二系横向阻尼( 每转向架) c 。， 2 5 2k n s m 二系横向减振器纵向跨距2 c 6 8 0 ( 同一转向架) 二系横向减振器高度 6 7 0m m 旁承面距轨面高 9 3 2m m 旁承横向阃距 l8 5 0m m 旁承摩擦系数 0 0 9 二系横向止挡间隙 2 5 m m 其它尺寸参数 抗侧滚扭杆扭转刚度( 每转向 2 1m n r a d 架) k “ 牵引拉杆纵向剐度 4 5m n m 牵引拉杆横向弯曲刚度 1 2 8 5k n m r a d 牵引拉杆垂向弯曲刚度 1 2 8 5k n m r a d 牵引拉杆距轨面高 6 3 5m m 牵引拉杆横向跨距 2 8 2 0m m 4 32 5 k 硬卧客车系统动力学响应分析 图4 3 - l 图4 3 - 3 和图4 3 7 一圈4 3 9 所示为客车分别以 6 0 k m h 和1 6 0 k m h 速度运行时三种模型的车体横向加速度频谱图对 比，由于弹性车体考虑了3 0 h z 左右的一阶横向弯曲，在该频率附近 出现了一个最大的峰值，说明该频率出现有共振，对图4 3 1 和图 4 3 - 7 所示的刚性车体，在该频率就没有出现峰值。图4 3 4 一图 4 3 6 和图4 3 1 0 一一图4 3 1 2 所示为客车分别以6 0 k m h 和1 6 0 k m h 速度运行时三种模型的车体垂向加速度频谱图对比，由于弹性车体 考虑了1 0 h z 左右的一阶垂向弯曲在该频率附近出现了一个最大的 峰值，说明该频率出现有共振对图4 3 4 和图4 3 1 0 所示的刚性车 体，在该频率就没有出现峰值。 为了分析三种模型在响应上的差异，在此还计算了 6 0 k m ，h 一2 0 0 k m h 不同速度下，车体地板面的枕梁位置、车体地板 面的中央位置和界于这两者中间的偏中央位置等三个不同位置下平 稳性指标和平均最大加速度，进行对比分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 图4 _ 3 1 3 一一图4 3 1 4 给出不同速度下，三种模型的2 5 k 硬卧客 车在车体地板面枕梁位置的运行平稳性指标计算结果，由图表可见， 在6 0 k m h 一一2 0 0 k m h 计算范围内，在枕位的车体平稳性指标受车 体弹性的影响较小。图4 3 15 一一图4 3 1 6 和图4 3 1 7 一图4 3 1 8 所示给出不同速度下，三种模型的2 5 k 硬卧客车在车体地板面中央 和偏中央位置的运行平稳性指标计算结果，由图可见，在 6 0 k m ，h 2 0 0 k m ，h 计算范围内，弹性车体中央和偏中央位置的横 向平稳性指标有一定程度的变差，尤其是考虑钢结构原方案车体弹 性时，在6 0 7 0 k m h 低速时较为明显，速度提高时影响就小些。 弹性车体对垂向平稳性指标的影响比较明显刚性车体具有较好的 垂向平稳性指标，而两种弹性车体的垂向平稳性指标要差。 由此可以认为，由于车体轻量化使车体刚度变小，将使客车中央 位置的垂向平稳性指标变差。但在所计算的速度范围内，其新车状 态的平稳性指标仍为优。 此外，三种模型下车体三个位置平均最大加速度的对比结果如图 4 3 1 9 一一图4 3 2 4 ，其基本规律与平稳性指标的规律是一致的，在 此不再敷述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 趟 瑚 居 足 墨 冰 导 拉 料 攮事f h 2 图4 3 1客车以6 0 k m h 速度运行时车体中央的横向加速度响应频谱图 ( 不考虑车体弹性) _ 诋j 鞭阜f h 2 图4 3 2 客车以6 0 k m t h 速度运行时车体中央的横向加速废响应频谱图 ( 考虑原方案车体弹性) 魁 幽 居 厦 摹 崧 岳 曼 褂 i 舅率 h z ) 图4 3 - 3 客车以6 0 k m l h 速度运行时车体中央的横向加速度响应频谱图 ( 考虑优化方案车体弹性) “ 瑙髑景显第髻岳母褂 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 趟 罂 嚣 球 姜 * 篡车l h l 图4 3 - 4 客车以6 0 k m h 速度运行时车体中央的垂向加速度响应频谱图 ( 不考虑车体弹性) 倒 制 最 足 枷 球 - 0 - 蛙 * 图4 3 - 5 客车以6 0 k m t h 速度运行时车体中央的垂向加速度响应频谱图 ( 考虑原方案车体弹性) 姑 艘 异 足 啦 联 廿 垃 褂 图4 3 - 6 客车以6 0 k m h 速度运行时车体中央的垂向加速度响应频谱图 ( 考虑优化方案车体弹性) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 蜊 糙 星 担 董 球 哥 鼍 * 图4 3 7 客车以1 6 0 k m h 速度运行时车体中央的横向加速度响应频谱图 ( 不考虑车体弹性) 堪 制 居 担 鼍 拄 排 图4 3 8 客车以l6 0 k m h 速度运行时车体中央的横向加速度响应频谱图 ( 考虑服方窠车体弹性) 毯 捌 暑 掘 量 球 辱 蛙 褂 篇牢( h z 图4 3 - 9 客车咀1 6 0 k m h 速度运行时车体中央的横向加速度响应频谱图 ( 考虑优化方案车体弹性) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 趟 触 居 足 蝴 联 岳 世 * 鞠皋( h z ) 图4 3 1 0客车以16 0 k m t h 速度运行时车体中央的垂向加速度响应频谱图 ( 不考虑车体弹性) 囊 墨 墨 世e - * 蝴阜f h z ) 图4 3 - 1 1 客车以1 6 0 k m h 速度运行时车体中央的垂向加速度响应频谱图 【考虑原方案车体弹性 毯 倒 暑 厘 嘲 承 导 蛙 讲 圈4 3 一1 2 客车以1 6 0 k m h 速度远行时4 三体中央的垂向加速度响应频谱幽 ( 考虑优化方案车体弹性) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 雌 囊 蛆 霉 斗 客车远行这度( k - h ) 圈4 3 1 3 车体枕位横向平稳性指标随速度变化曲线 客车远行童度( k t h ) 图4 3 1 4 车体枕位垂向平稳性指标随速度变化曲线 搴 l 抒t直【i ，h 】 图4 3 15 车体中央横向平稳性指标随速度变化曲线 让 受 一 点蠢方 一 厂里一 薯一 三一 一 啦曩i 掣嚣 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 避 謇 掣 锥 + 馨 黛 啦 霉 斗 鼙 杂 掣 毒 - i 4 3 1 6 车体中央垂向平稳性指标随速度变化曲线 4 3 1 7 偏中央横向平稳性指标随速度变化曲线 图4 3 18 偏中央垂向平稳性指标随速度变化曲线 t * 冀 一 。t 1 6 一 ：。飞 q _ 。l =i 善 一 。 一 一 ：=” 图 ” 圈 ” ” 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 7 页 j，舞 l 一。 一二： 图4 3 1 9 枕位横向平均晟大加速度随速度变化曲线 i? 、! 二箩至 喜4打t直 图4 3 - 2 0 枕位垂向平均最大加速度随速度变化曲线 j， 一7 i 圈4 - 3 - 2 1中央横向平均晟大加速度随速度变化曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 薰jj 。，：，j 三 ：习? j ，：。、一一。 翔矽一一吾叠i t ! ；： 图4 3 2 2 中央垂向平均最火加速废随速度变化曲线 d00 020 0 1 i i o2 0d2 2d 搴阜聋开墟虚k - ，h i 图4 3 2 3 偏中央横向平均晟大加速度随速度变化曲线 #丰进抒连盂ei - ，- 图4 3 - 2 4偏中央垂向平均晟大加速度随速度变化曲线 性 l-v茸材卅智+ 一 一 d 0 a o d 0 o o-v对甘毒冒十 -v删剖霄十 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 9 页 4 4 2 5 k 硬卧客车系统动力学响应分析结论 通过对2 5 k 硬卧客车不考虑车体的弹性、考虑原方案车体钢结构 弹性和考虑优化方案车体钢结构弹性的三种模型动力学响应计算结 果的对比。可以得出主要结论如下： ( 1 ) 用美国5 级线路谱作线路不平顺激扰在6 0 k m h - - 2 0 0 k m h 计 算速度范围内，三种模型的横向和垂向平稳性指标均为优。 ( 2 ) 车体轻量化引起的一阶垂向弯曲自振频率的下降，将使车体中 央和偏中央位置的垂向平稳性有所下降，但在2 0 0 k m h 以下的速度 范围内，早稳性指标仍小予2 2 。 ( 3 ) 通过本研究工作可知，将车体考虑为刚性模型和弹性模型，其 平稳性的计算结果是有差异的，弹性车体的平稳性要差于剐性车体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 0 页 第5 章提速客车车体冲击大变形的研究 随着列车运行速度的提高，运行安全性成为一个不可忽视的重要 问题。在国外，对列车碰撞问题正越来越受到人们的关注，各国学 者从多方面对车辆碰撞问题进行研究，而我国对铁路车辆碰撞问题 的研究刚刚开始“。 铁路车辆碰撞是造成铁路运输乘客伤亡的主要原因之一在速度 提高和车流密度增大的情况下，碰撞的严重性也在加大，所以对车 辆的碰撞越受关注。但是铁路运输与高速公路、航空相比有它的独 特的碰撞问题。由于重量大导致产生很大的碰撞能量需要被吸收， 如果在碰撞中发生窜车，被吸收掉的能量就大大减少，导致车辆结 构的更大破坏和人员的更大伤亡。- 此外，在碰撞过程中持久的横向 稳定性也对车辆纵向压缩性和可控的运动稳定性有很大的关系。计 算机辅助工程工具能够对铁路车辆碰撞性进行精确的模拟，可以使 相对昂贵的碰撞试验成本降至晟小，而且这种计算机数值模拟还可 以增加碰撞试验的有效性“”。 本章首先对国外在铁路车辆碰撞方面的方法和思路作了一个简 单的介绍，然后针对自己的实际，选择轻量化前后的提速客车车体 作为分析对象，对其安全性进行评价。 5 1 关于车辆碰撞的研究方法和成果 5 1 1 国外对车辆碰撞及乘客安全性分析的三个步骤 图5 1 1铁路车辆碰撞分析的三个步骤 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 1 页 在实际中用计算机来完成铁路车辆的碰撞数值模拟分析已经形 成了一种计算方法。这种方法由三步组成：第一步就是建立详细的 车辆模型，对车辆碰撞的各种场景计算它的碰撞响应。第一步的结 果强调车辆的响应机理，而且提供一系列的车辆碰撞的强度数据。 碰撞响应由详细有限元建横的客车碰撞刚性墙得到；第二步就是利 用详细模型碰撞响应来建立一个可以研究车辆间碰撞动力学分析的 简化模型，利用这个简化模型可以计算整列车在碰撞或者脱轨情况 下的响应，包括车辆之间的相互作用。这些计算结果可以表明每辆 车的碰撞程度及沿着整列车不同位置的速度历史曲线。第三步就是 利用车辆的速度历史曲线来计算车内乘客的响应，对这一步有两 种做法：种就是假人和许多座位拨建立成详细的有限元模型，1 l 周围的车辆结构被简化建模然后对车辆结构应用速度历史曲线， 计算与座位相邻的乘客的二次冲击响应，伤害的尺度如像头部的伤 害标准通过计算乘客头部的加速度得到。然后就可以通过利用二次 碰撞的速度、头部伤害标准和伤害程度之间的关系来估计伤害。图 5 1 1 所示为这三个步骤的示意图，。 以下是三个步骤具体工作的描述： 首先说明刚性墙代表了一种理想化的对称碰撞，是一种最简单的 边界条件。对铁路车辆碰撞最逼真的分析方法就是应用三维非线性 有限元分析，这类车辆碰撞响应的仿真包括许多需要描述的复杂特 性，这类碰撞响应机制包括：非线性材料特性：大变形_ 的几何特性； 结构元之间的接触界面；结构单元、焊接部和螺栓连接的失效和断 裂“。 有限元分析按照它们所采用的是显式还是隐式时间积分而分为 两类。隐式分析是用一个耦合的方程来求解，每一个时间步需要更 大计算机资源。通常被广泛用在结构计算和设计中a n s y s 和a b a q u s 就是应用隐式分析的软件。而显式分析为了数值的稳定性需要个 非常小的时间步，此外，它的运动方程是在每个节点处求解而不是 耦合为一个方程组来求解因此每一个时问步的响应求解很快。显 式分析就是求解振动、冲击和碰撞这类动态应用的理想形式。被普 遍采用的显式碰撞有限元软件有：d y n a 3 d 、l s - d y n a 3 d 、p a m c r a s h 、 r a d i o s s 和m s c - d y t r a n - ，。 铁路车辆的详细有限元分析已经被应用在车辆的设计过程中和 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 对已有车辆设备碰撞性的评估。图5 i 一2 所示为一个1 0 0 ，0 0 0 单元 规棋的客车模型撞击刚性墙的仿真示意图，仿真软件是用l s d y n a 3 d 有限元分析软件，l s i ) y n a 3 d 有模拟冲击的突出能力，包括接触面、 大应变和大变形，而且还有广泛的非线性材料模型库。l s d y n a 3 d 还 有恰当的降低计算时间的能力，比如通过对冲击只产生惯性的单元 定义为刚性体可以作为一个整体降低为六个自山度。圈5 i - 2 的 碰撞仿真计算大约需要在工作站上运算两天的时间，尽管计算机的 速度正在大大的提高而且多处理器的机器现在也可以轻易的被利 用，但是车辆间的碰撞建模的逼真性现在还不可行，除非用巨型机一，。 ( a ) 开始碰撞前下辆结构( b )乖辆结构损坏开始 圈5 i - 2车辆详细有限元模型碰撞仿真 对整列车的碰撞动力学分析包括车辆之间碰撞和脱轨，通常有许 多方法可采用，第一种方法就是使用同样的有限元方法来模拟高逼 真的车辆仿真但是采用简化的车辆模型，在这类研究中，一个简化 的有限元模型是按照与详细有限元分析有相似碰撞特性来建立的； 或者更进一步的将有限元模型简化：用一系列的刚体代表车辆骨架， 用弹簧和阻尼代表车钩装置，通过定义连接和相互作用代替关节部 位。图5 卜3 所示为后一种刚体列车模型在d y n a 3 d 上运行的示意图， 所示的是一列车在给定曲线轨道上脱轨的情形。这个相对简单的模 型预测了列车在轨道上的碰撞过程n ” ( a ) 锯齿形摺曲 ( b ) 纵向混合摺曲 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 ( c ) 之字形横向摺曲( d ) 不稳定的横向运动 图5 卜3 整列车在给定曲线轨道上脱轨的横向运动过程 刚体模型，通常指集中质量模型，是相对简单而且求解时间只相 当于完全有限元仿真的一部分。减少求解时间对建立太规模的参数 变量模型是十分重要的如a d a m s 和n u c a