（材料科学与工程专业论文）高速机车司机室混杂结构设计与优化.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表1 1 几种典型的先进复合材料与常用金属材料的性能对比 表2 1 聚氨酯改型环氧胶力学性能 表2 21 l o i g 型泡沫夹芯的基本性能参数 表2 3r f i 工艺制备玻璃钢板的基本性能参数 表3 1 设计变量参数初始取值 表3 2r o h a c e l l i g 级泡沫性能表 表3 3k l e g e c e l ls r 级结构泡沫材料性能表 表3 4 泡沫芯材选材计算结果 表3 5 玻璃钢面板厚度尺寸优化结果 表3 6 优化后各板梁厚度参数取值 表4 1 优化结果和取值 3 1 2 1 6 1 7 2 4 3 6 3 7 3 7 3 8 4 0 4 3 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研 究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：商垂扭奎蜀扭室显基丝拽遗让点盐化 学位论文作者签名 盈l 赶a 期 2 0 0 5 年1 1 月0 7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全7 解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术 大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阚；可以将学位论文的全部或部分内客转入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题日：直韭却奎虱扭l 室显盘壁拉进让皇盐业 学位论文作者签名：曼k 出月期：2 0 0 5 年1 1 月0 7 日 作者指导教师签名：日期：州年f j 月f 7 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 复合材料概述 复合材料是由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料，通过一定的工艺方法制 造而成的具有特殊性能的多相材料体系。与传统的单一材料相比，复合材料具有一系列的 优异性能。 ( 1 ) 优异的力学性能 复合材料密度低、强度和模量高，具有较高的比强度、比模量和承载能力。复合材 料耐疲劳性能良好，一般认为金属疲劳强度只有其拉伸强度的3 0 一5 0 ；而复合材料，特 别是纤维增强复合材料其疲劳强度可达其拉伸强度的7 0 一8 0 1 ”。 ( 2 ) 很强的可设计性 可以通过改变组分材料的种类、含量以及铺层方向和顺序，使之在一定范围内满足结 构设计对材料强度、弹性和方向性的要求，从而达到结构设计与材料设计高度统一的优化 设计。 ( 3 ) 易于大面积整体成型 采用适当的工艺，能实现一次整体成型，使构件中的零部件数量减少，避免过多的连 接件，提高了构件的整体性能。 由于复合材料具有以上一系列的优点，使其在航空、航天等高技术领域发挥了重要作 用，并广泛应用于机械、船舶、体育和建筑工业中。如空中客车家族中最新成员a 3 8 0 ，它 是世界上最先进、运载量最大的巨型喷气机。其设计思想是尽可能地减轻重量，提高运载 能力，因此尽量地使用复合材料整体结构。据j e c 复合材料杂志介绍，复合材料在a 3 8 0 上大量使用，如机翼、水平尾翼、中间舱、整流罩和弱电结构件等都选择使用复合材料， 复合材料约占飞机总重量的2 0 。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 窗框架、座椅和车门等。采用f r p 制造这些构件，除重量轻外，还具有易于设计、减轻维修 作业，以及可采用整体成型降低成本等优点。此外，厕所用玻璃钢地板，整体卫生间在国外 已较普及，既解决腐蚀问题，又达到减轻重量的目的。 1 2 1 2 复合材料制造列车主承力件 列车司机室、车体和转向架构架等作为列车的大型承力构件，在整车结构重量中占有 较大比例，车体部分自重占车辆自重的1 5 一3 5 ，转向架占车辆自重的2 5 3 5 【5 】，因此， 这些部分是应用新材料的主要研究领域。为达到轻量化的目标，上世纪8 0 年代以来，欧洲 和日本等发达国家进行了大量研究工作，并取得了一定成果。 ( 1 ) y l j 车机车司机室。司机室结构既要轻量化，又要耐冲击和腐蚀，复合材料在此得到 了广泛应用。最早在1 9 7 7 年英国城间型机车上用层压f r p 板包覆聚氨酯泡沫芯构成夹层结 构制造司机室前端，该复合材料制件比钢制件轻3 0 3 5 ，1 9 9 2 年投产的意大币i j e l 2 5 0 0 高 速机车头部采用k e v l a r 纤维和环氧树脂模压成型，其刚性和抗冲击性均能满足需要，同时 制品精度也相当高，与钢制车体装配尺寸误差仅为2 m m 。 ( 2 ) 复合材料车顶。复合材料在车顶盖上的应用能降低车辆的重心，增加车体运行的稳 定性。日本铁道综合技术研究所与东日本客运铁道公司合作，用碳纤维增强塑料( c f r p ) 制成高速列车车顶，该c f r p 车顶通过胶粘与铝合金框架相连，然后再通过焊结与车体上铝 合金侧壁连在一起。试验表明，采用这种车顶的车体具有较高的气密强度和较低的重心， 而且每节车箱减轻约3 0 0 k g - 5 0 0 k g 。 ( 3 ) 复合材料车体。日本以下一代高速新干线车辆为对象，试制了大断面c f r p 车体结 构并进行强度试验。车体按工艺不同分为两种：将厚为2 1 m m 的曲面板与纵梁制成一体， 将拉挤成型的c f r p 外板铆接在铝合金框架上，试制车体长6 0 0 0 m m ，宽3 3 0 0 m m ，高 3 2 9 0 m m ，重量为6 8 0 k g 。热压成型制成长1 0 0 0 m m ，宽3 3 2 0 m m ，高3 3 0 0 m m 的两个半圆 形车体，然后互相铆接在一起，较之铝合金车体重量减轻3 0 。s c h i n d l e nw a g g o n 公司在2 0 世纪9 0 年代初就开发了用于制造铁道车辆车体的缠绕技术，现在可制造长1 5 m ，直径3 8m 的车体，并着手开发生产长达2 6 m 的标准客车车体 “。 ( 4 ) 复合材料转向架。机车车辆的转向架是支撑车体、保证列车平稳运行的 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( c ) 高速列车司机室外壳( d ) 车头罩 图1 1 复合材料列车构件 1 2 3 国内外发展趋势 目前复合材料在列车车辆上应用的广度和深度都发生了重大变化，随着科学技术的进 步和发展，复合材料在列车上的应用前景将更为广阔。复合材料在列车上的大规模应用将 不再局限于窗框和座椅等非主承力构件，而是逐步向车体、转向架构架、司机室等列车大 型主承力构件发展。同时利用复合材料制造的列车构件尺寸也在增加，由小尺寸的线槽板 发展到大型车顶盖、车体等。其总体趋势是：由早期制造非主承力构件为主逐步向制造 主承力结构构件转变。由制造小尺寸构件向大尺寸构件转变。加工制造工艺由以手糊 为主向片状模塑( s m c ) 、树脂传递模塑( r t m ) 、拉挤、缠绕、编织等先进成型工艺发展。 1 _ 3 复合材料司机室研究意义 当前国内列车最高时速约2 0 0 k l l l ，与日本新干线以及欧洲t g v 高速列车3 0 0 k m m 时速相比还存在较大差距。因此，如何进一步提高列车速度，成为相关学科科技工作者共 同面临的挑战。 我国铁路列车实现提速的途径主要有以下三条：对现有线路进行改造，目前我国已 完成京广、京沪、京哈线的电气化改造项目，列车最高运行时速达到1 6 0k r i 汕。修建新 的高速列车专线，已开工建设了设计时速可至2 4 0k i l l l l 的武广高速专线，以及筹建中的京 沪高速均属此类。加大机车牵引功率、降低车体自重。前两项途径与加大机车牵引功 率、减轻自重相比所需投资大，而且时间周期长，不能解决目前铁路运能与市场需求间的 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 本论文以正在服役的钢制哈车司机室为设计原型，在充分发挥复合材料优异承载性能 基础上，结合和r f i 成型工艺特点研究设计复合材料整体司机室。在不降低司机室安全性 前提下，利用有限元分析软件a n s y s 对复合材料司机室进行优化设计。使司机室各部件 受力和变形趋于合理，减少材料用量，达到减轻司机室自重的目的。本文主要研究内容如 下： ( 1 ) 设计复合材料整体司机室的合理结构形式。在充分发挥玻璃钢复合材料和钢结构 的承载优势的基础上，综合司机室的设计要求以及工艺实施等因素，将复合材料整体司机 室设计成由玻璃钢泡沫夹芯结构和钢骨架两大部分组成的司机室混杂结构。 ( 2 ) 根据a n s y s 功能模块的设置与特点，对a n s y s 优化计算方法做了深入细致的研 究。 ( 3 ) 对玻璃钢泡沫夹芯结构的泡沫芯子选材，以及玻璃钢面板和泡沫芯子的厚度进行 优化设计。并就设计中选定的复合材料单元类型进行分析讨论，对夹层结构单元的理论基 础和基本算法做了深入探讨。 ( 4 ) 在玻璃钢泡沫夹芯结构优化设计基础上，以钢骨架板梁的厚度作为设计变量，对混 杂结构钢骨架进行优化设计。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章复合材料司机室结构设计 在高速机车车体的设计研究中，机车司机室结构设计是最复杂，也是难度最大的一个 部件。它需综合考虑气动性能、总体布置、结构强度和制造工艺等因素对安全性的影响。 在本章中，将根据司机室对安全性的要求，并结合r f i 成型工艺特点，对司机室进行复合 材料结构形式设计和材料选择。 2 1 复合材料司机室结构设计原型 本文设计的复合材料司机室是以哈车司机室为设计原型，该型机车时速达2 0 0 k m 1 1 ， 为流线型高速机车。司机室外形轮廓尺寸为2 5 6 2 i i l i n 3 1 0 0 m m 2 4 7 0 m m ，主体结构大致 可分为钢骨架和蒙皮两部分，蒙皮采用2 m m 厚不锈钢板制作，钢骨架则主要由宽为8 0 m m ， 厚度分别为8 m m 、1 0 m m 、1 4 m m 三种规格的高耐候钢板焊接组成，司机室结构总重量约 为8 2 8 k g a 司机室作为机车的一个主要部件，其所受载荷工况相当复杂，难以作较为精确的简化。 在本文中按照安全性要求，在满足基本运行和碰撞保护工况要求的基础上，对复合材料司 机室设计原型载荷进行了简化。简化后司机室所受载荷主要有碰撞保护工况，以及6 0 0 0 p a 会车风压。保护工况是为了保证乘务人员的安全，司机室前部应能在低速碰撞时主体结构， 不产生永久变形，常采用在司机室前窗下框处作用3 0 0 k n 压力来考核司机室的安全性1 0 1 ， 如图2 1 所示。 图2 1 司机室载荷图 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 复合材料司机室结构形式设计 按司机室安全性要求对司机室载荷进行合理简化后，对钢制原型进行复合材料司机室 结构形式设计。 目前，国外流线型司机室外壳很多都采用复合材料夹层结构设计，英国i n t e r c i t y l 2 5 型机车前部外壳采用层压玻璃钢板包覆聚氨酯泡沫芯的夹层结构，制作时在内外两层问形 成一个空腔，通过现场注射形成空腔内的聚氨酯泡沫，并预先采取措施在夹层结构内留出 空间，以供空调及电气线路输送管道的安装，从而减少了连接件数量，扩展了有效使用空 间，增加了结构的整体性。 我国现行制造流线型车头蒙皮主要有以下三种方式：采用薄壁钢板，通过手工敲制、 板材成型机械制作或金属模压工艺制造。手工敲制或板材成型机制作难以精确成型复杂曲 面，而金属模压工艺虽精度较高但其模具一次性投资大，技术准备期长，不利于小批量和 试件生产 1 1 】。采用铝合金制作。虽然铝合金具有重量轻、外形可以通过磨削获得理想曲 面效果的优点，但焊接铝合金构件对工艺装备及设备要求较高，且焊接变形较大，极难调 整，通常为获得好的表面质量，外壳的磨削工作量也成倍增加。利用玻璃钢制作司机室 外壳，而后通过螺栓、铆接、焊接以及粘接方式与司机室钢骨架连接。与前两种相比，玻 璃钢外壳具有白重轻、外观美观、尺寸精确及工艺简单等优点。 玻璃钢外壳替代不锈钢蒙皮，虽然具有以上优点，但是复合材料仅作为辅助结构存在， 仅能将外部风压传递到司机室钢骨架，其承力主体仍为司机室的钢骨架，没有充分发挥复 合材料承载能力强的特点，因此并不能在最大程度上减轻司机室的重量。只有在保证强度 和刚度的前提下，使复合材料成为主要承力结构，与钢骨架形成整体承载，才能最大程度 实现降低司机室自重的目标。 通过广泛吸取国内外先进的设计和制造经验，在湖南省复合材料工程技术研究中心成 功研制高速列车头罩、车窗框、车顶罩和导流罩等多种列车用复合材料构件的基础上，充 分借鉴了上海明珠二号线地铁列车司机室头罩设计。该型司机室头罩外形基本尺寸为 1 8 0 0 m m 2 8 4 0 m m 2 7 0 0 m m ，采用全玻璃钢泡沫夹芯结构设计，只在车门框处设置玻璃 钢加筋肋，如图2 2 所示。所用玻璃钢泡沫夹芯结构的基本厚度达到5 0 m m ，其中面板厚 度为2 m m ，芯材4 6m m 。利用有限元分析软件a n s y s 对司机室结构的安全性进行了模拟 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 计算。计算结果显示该型头罩刚度、强度均能达到设计指标要求，而且实车运行验证的结 果也表明其结构安全可靠，头罩等效应力见图2 3 。 图2 2 地铁列车头罩 图2 3 头罩等效应力 为摆脱目前国内复合材料大多只能制造非主承力结构的现状，更好地发挥复合材料性 能的优点，设计了一种全新的复合材料司机室结构形式一玻璃钢混杂结构，典型的混杂结 构司机室构件设计如图2 4 所示 粘 钢板 玻璃钢 泡沫芯 图2 4 玻璃钢混杂结构 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 构成一个大钢骨架，这个大钢骨架包括前窗上、下梁、窗侧纵向梁和前窗间梁等。其中司 机室窗上梁、司机室隔墙轮廓梁以及从顶向前延伸到头端部的司机室侧窗梁等重要梁件保 持连续。为保证在低速碰撞时对司机有良好的保护作用，以及头部有良好的承载特性，特 别在前窗下梁位置进行了局部加强，采用厚板围成了几个栅格。混杂结构钢骨架与钢制司 机室钢骨架相比，减少了部分次要梁件，但增加了前窗部分的竖向支撑和斜向支撑，如图 2 5 所示。 窗e 粱 梁 图2 5 混杂结构钢梁图 构成钢骨架的钢板梁采用q 3 4 5 低合金钢，该型钢综合力学性能良好，具有良好的塑 性和可焊性。可作中、底压容器、油罐、铁道车辆和桥梁等承受动载荷的结构、机械零件 等，低温性能亦良好，可用于4 0 。c 以下寒冷地区的各种结构1 2 1 。为满足在司机室玻璃钢泡 沫夹芯中布置各种线缆板的需要，将钢骨架各板梁的宽度统一设定为8 c m ，因为钢骨架如 果采用不同宽度的板梁易造成玻璃钢夹芯结构面板的不连续，这种不连续不仅会导致玻璃 钢泡沫夹芯结构工艺实施困难，而且还会使玻璃钢面板与钢骨架的粘接面削弱，从而影响 到混杂结构整体力学性能的发挥。各梁件的厚度初步设定为8 m m 、l o m m 、2 m m 三种规格。 1 2 m m 的板梁设计用于焊接制作前窗下部的横梁、窗侧纵向梁和栅格；l o m m 厚的板梁设 计用于制作隔墙轮廓梁、侧窗间梁和前窗间梁；其它梁件厚度均设计成8 m m 。 由于玻璃钢夹芯结构具有较高的强度和刚度，在一定程度上可以替代部分小截面的钢 梁作用，因此在玻璃钢混杂结构中可以减少钢材使用的规格种类以及用量，这不仅能减轻 自重，同时也满足了混杂结构司机室整体承载的需要。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3 2 玻璃钢夹芯结构设计 2 3 2 1 夹芯结构设计 泡沫夹芯结构因其具有优异的碰撞吸能能力，在安全性要求较高的列车结构上常被采 用 ”】。本文采用的玻璃钢泡沫夹芯结构属一种夹层结构，因此在设计时需遵循夹层结构设 计原则”4 1 。夹层结构如同工程上常用的工字梁，其面板作用与工字梁的翼缘相当，主要承 受拉力和压力，而芯子相当于腹板，主要承受弯曲时的剪力。因此夹芯结构在构造上通常 是用厚度较薄、强度高、刚度大的材料作为面板，而用密度小、厚度较大、有一定承剪能 力的材料作为芯子层。通过胶接的方法把两者连接起来。夹层结构的显著结构特点是抗弯 刚度大，可以在结构重量较小的情况下承受较大的弯曲载荷，即具有较高的抗弯刚度质量 比和良好的耐疲劳性能，此外夹层结构还具有隔音、隔热等优异的物理性能，并且采用其 制成的构件表面光滑平整，易形成具有复杂曲面的气动表面。 设计夹层结构构件必须满足设计载荷下强度和刚度要求，这是夹层结构部件设计的总 的原则，在此原则下，所设计的夹层结构应该是： ( 1 1 面板的厚度必须足以承受设计载荷下的拉力、压力和面内剪力。 ( 2 ) 芯子必须有足够的抗剪强度，以承受设计载荷下的横向剪力，必须有足够抗压强度 以防止在横向载荷作用或弯曲变形时发生压塌。 ( 3 ) 夹层结构要有足够的抗弯刚度和剪切刚度，以保证在设计载荷的弯矩和剪力作用下 不产生过度的变形。 玻璃钢夹芯结构设计按其工艺方案一般可分为两种形式”】：一种是在预成型的泡沫 芯材表面包敷成型玻璃钢面板形成表面蒙皮，另一种是在对合模具中灌注发泡泡沫形成夹 芯结构。由于两种工艺方法的不同，由此将导致其承载和力学性能的较大差别，因此玻璃 钢夹芯结构设计需结合r f i 工艺成型进行。 在利用r f i 工艺制造构件过程中，树脂以固态形式同预制体( 玻璃布和钢骨架以及填 充泡沫) 一同封装于模具中，然后加温使树脂溶化并辅以真空袋压成型。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 r f i 工艺具有如下优点： ( 1 ) 树脂基体材料在加温下熔渗，并在真空袋压的作用下使其与增强体充分且均匀浸 润，因此其复合材料制成品各项力学性能优异。纤维含量高( 接近7 0 ) ，孔隙率低 ( 0 - 0 1 ) 1 6 - 1 8 1 。 f 2 1r f i 工艺利用真空袋压成型，只需在表面光洁度要求比较高的一面使用模具，从而 使得模具制造与材料选择的机动性强。成型司机室这样具有复杂曲面的构件，也不需要庞 大的成型设备，因此其设备和模具的投资相对较低。 r f i 工艺成型混杂结构司机室的基本步骤： ( 1 ) 根据司机室结构设计资料，设计制造带加热装置的模具。 ( 2 ) 先在模具上铺设玻璃布和r f i 树脂膜，目的是形成泡沫夹芯结构的玻璃钢外层面板。 ( 3 ) 在已铺设的外表层玻璃布上安装定位好预先焊制的钢骨架，并将分割加工后的泡沫 板填充至骨架与外层面板的空腔中，形成夹芯结构的泡沫芯层。 ( 4 ) 在钢骨架与填充泡沫的接触面上，涂刷一层粘胶层。 ( 5 ) 继续铺设玻璃布和r f i 树脂膜，并设置预埋件。 ( 6 ) 放置透气毡，真空袋等加压设施，模具加热升温，树脂熔融渗透并浸润玻璃布与泡 沫层，完成混杂结构司机室整体固化成型。 综合r f i 工艺的优点和成型司机室结构基本方法，灌注发泡形成夹芯结构泡沫不适用 于本结构。因为灌注发泡需要使用对合模具，散失了r f i 工艺只需一面模具的优势，同时 使用对合模具结构复杂，而且无法实施真空袋压，故在泡沫夹芯结构泡沫芯子设计采用预 成型的泡沫芯材。这样设计具有三个明显的优势：能克服灌注发泡泡沫质量不稳定的缺 点。能在司机室结构比较复杂的情况下摆脱设计发泡的泡沫流动通道和合理的排气孔位 置的困扰。能方便实现对钢骨架与玻璃钢泡沫夹芯结构的粘结处理，以提高混杂结构司 机室的融合度。 在混杂结构司机室设计中使用的玻璃钢泡沫夹芯结构有2 8 m m 和8 4 m m m m 两种厚 度，两种厚度的玻璃钢上、下面板厚度均为2 m m 。2 8 m m 玻璃钢泡沫夹芯结构其面板厚度 为2 n m a ，芯材厚度为2 4 m m ，其主要布置于司机室的侧墙和顶盖。8 4 m m m m 玻璃钢泡沫夹 芯结构其面板为2 m m ，芯材为8 0 m m ，其主要布置于司机室前窗下部，该部分为司机室的 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 重要承载面，因而对结构的刚度、强度以及耐冲击能力的要求都比较高。 2 3 2 2 夹芯材料选择 目前生产泡沫芯材的厂家众多，可供选择的芯材种类丰富，而且能根据设计需要对芯 材进行精确的分割加工。因此选择从市场购得按设计要求加工后的泡沫。玻璃钢复合材料 中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯( p v c ) 、聚苯乙烯( p s ) 、聚氨酯( p u r ) 、丙烯腈一苯乙烯( s a n ) 、 聚醚酰亚胺( p e i ) 及聚甲基丙烯酰亚胺( p m i ) 等泡沫，但p s 和p u r 泡沫通常仅作为浮力材 料而不作结构用途。 p m i 泡沫采用固体发泡工艺制作，为孔隙基本一致、均匀的1 0 0 闭孔泡沫。p m i 泡沫具有三项突出的优点：1 、强度和刚度高。在相同密度的条件下p m i 是强度和刚度最 高的泡沫材料。2 、具有优异的高温耐蠕变性能。这使得该泡沫能够适用高温固化的树脂 和预浸料。3 、p m i 泡沫经适当的高温处理以后，能满足1 9 0 ( 2 的固化工艺对泡沫尺寸稳 定性的要求。这使其适用于环氧或b m i 树脂共固化的夹层结构构件以及r f i 加温固化工艺。 基于p m i 泡沫具有以上优点，考虑到一方面混杂结构司机室将由玻璃钢泡沫夹芯结构与 钢骨架共同承载，因此对泡沫材料自身强度和刚度有较高的要求；另一方面，在r f i 工艺 实施过程中需对树脂膜加温，使其熔渗并与玻璃布以及泡沫芯共固化，对泡沫的高温尺寸 稳定性也有较高要求。因此设计采用德国德固赛( d e g u s s a ) 公司生产的p m i 泡沫，其商品 名为r o h a c e l l ，该型泡沫空隙为均匀的1 0 0 闭孑l ，能有效的避免树脂熔溶渗透过程中 泡沫空隙吸胶现象的发生。初步选定密度较大的r o h a c e l l - - 1 1 0 1 g 型泡沫，作为设计计 算依据，其基本力学性能指树2 0 1 如下表2 - 2 所示。 表2 21 1 0 i g 型泡沫夹芯的基本性能参数 第16 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3 2 3 面板材料 玻璃钢泡沫夹芯结构的玻璃钢面板主要承担拉力、压力和面内剪力，因此面板的力学 性能也将直接影响其承载能力。玻璃钢面板的力学性能除与铺层有关外，还与其原材料体 系以及制备工艺等因素密切相关。在混杂结构司机室的设计中采用r f i 工艺制得的玻璃钢 面板，该面板的主要原材料为0 4 无碱玻璃方格布和环氧树脂，玻璃钢面板表现出准各向 同性1 2 1 1 。经r f i 工艺制作玻璃钢面板的力学性能要高于一般的手糊工艺制得的玻璃钢面 板，具体指标如下表2 3 所示。 表2 3r f i 工艺制备玻璃钢板的基本性能参数 2 4 小结 本章以钢制司机室为原型，设计由钢骨架和玻璃钢泡沫夹芯结构组成的混杂结构司机 室，其主要设计依据和结论如下： ( 1 ) 以钢制司机室钢骨架为基础设计混杂结构司机室的钢骨架，保留原钢骨架的主 要梁件，舍弃部分次梁。结合混杂结构的特点设计钢板梁的截面尺寸，将板梁宽度统一设 计为8 0 r a m ，设计8 m m 、1 0 r a m 和1 2 r a m 三种基本厚度的板梁。 ( 2 ) 结合r f i 工艺成型的优点和成型混杂司机室结构的基本过程，设计采用预成型 泡沫。针对加温固化的特点，设计采用高温蠕变性能好，1 0 0 闭孔的r o h a c e l l - - 1 1 0 i g 泡沫。泡沫芯材根据构件所处位置重要性设计成2 4 m m 、8 0 m m 两种厚度，玻璃钢泡沫夹 芯结构的面板厚度统一设计为2 m m 。 第17 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章司机室混杂结构优化设计 混杂结构司机室主要由钢骨架和玻璃钢泡沫夹芯结构两大部分组成，其中钢材密度 大，因此减少钢材的用量对司机室减重具有十分突出的作用，是本文优化设计的重点； 同时玻璃钢泡沫夹芯结构所用体积数量大，且芯材依赖于进口，成本高，因此对玻璃钢 泡沫夹芯型潦邕箭橘者辑星系辄酬霎韬m蠼舞蛰靳弧域群竖日骡蓼蟹鞯孵一i骐氍坠 熹茎羁舶础邑排嘲劫拄自磊豇础。南刻割圉彭刚型娑瓦茬零b 二嗝霸* 觅笛 才_ 融巾 茧萌磊画制崩蜀捅彰豁新跏群若盯萤甄嘛滗喀。性设计要素很难建立起妻吾葡矧臻嚣 斋甘菇贳艟， 翱釜至击秆琼墙对宴验件进行验i 正强雏翅越洲笥卧蜓# 躞面琶型爱鲞刻眭争盼 藓羹雪爵贰和霎釜鞴崭碧；簸骐挑理一舒醚弱”薹囊；囊l 篓辩f 鞋虢弘力翳酿静哒是油融；湾 编 还需进一步的探索。 综上所述，研究设计列车复合材料构件既拥有良好前景又充满挑战，所以仍需继续努 力，推进复合材料在高速列车主 抵鞒辛系挠谩 第48页x 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 1 1 3 后处理模块p o s t i 和p o s t 2 6 a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块p o s t l 和时间历程后处理模 块p o s t 2 6 。 通用后处理模块p o s t l 。该模块用来查看模型在某一对刻( 或某一载荷步、频率) 的 结果。对前面的分析结果能以图形形式显示和输出，能清晰地反映了计算结果的区域分布 情况。对于本文结构所进行的静载结构分析，利用p o s t l 查看结果即可。 3 1 2 a n s y s 的优化模块 优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。设计方案的任何方面都是可以优化 的，所有可以参数化的a n s y s 选项都可以作优化设计。a n s y s 程序提供了零阶优化和一 阶优化两种方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法【2 5 】是一个有较高精 度的近似快速优化设计方法，可以有效地处理一般工程的近似优化设计问题。一阶方法基 于目标函数对设计变量的一阶敏感分析，因此有更高的理论精度，适应于精确优化设计。 使用a n s y s 进行优化设计，通常要经过阻下几个步骤，见图3 1 。 图3 1 优化流程图 在本文司机室参数模型中将组成钢骨架的板梁厚度设定为设计变量，钢骨架的等效应 力作为状态变量，体积作为目标函数。在玻璃钢泡沫夹芯结构优化设计参数模型中，设定 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的粘胶层，该胶层设计为厚度2 m m 。利用体元素建立胶层模型，如图3 4 所示。整个司机 室元素如图3 5 所示。 泡沫体 泡沫体元 图3 4 胶层体元 顶盖面元 墙面元 胶层体元 玻璃钢体元 图3 5 实体模型元素 本文几何实体模型是在a n s y s 软件中通过自底向上的方式建立的，即先通过定义关 键点坐标，由点生成线，由线生成符合结构设计又便于网格划分的面和体2 7 1 。整个司机室 几何实体模型的建立过程大致可分为两步：第一步，建立钢骨架模型，如前所述，考虑到 需在泡沫夹芯中布置各种线缆板的需要，将梁的宽度设定为8 c m ，将各板梁的厚度设置为 设计变量参数，设计变量参数分别为h 1 、h 2 、h 3 、h 4 、h 5 、h 6 、h 7 、h 8 ，其位置如图3 6 第2 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 所示。各设计变量的初始取值如下表3 1 所列。第二步，在钢骨架模型的基础上继续建立 起玻璃钢面板、芯材以及胶层模型。 表3 1 设计变量参数初始取值 h 2 3 2 2 网格划分和单元类型 3 2 2 1 网格划分 图3 6 板梁设计变量参数位置图 单元选择是有限元结构计算中极其重要的环节，单元的类型应对结构的几何形状有良 好的逼近，能真实反映结构受力状况。特别是在纤维增强复合材料中，由于复合材料的各 项性能与纤维增强的方向关系紧密，因此在各向异性的情况下需考虑材料主轴与划分单元 坐标系之间的对应关系。本文中的混杂结构司机室，由于具有较为复杂的曲面外形，要获 得与材料主轴完整对应的单元坐标系较为困难，为此在本文设计中共定义了1 8 个单元坐 标系，力求保持材料主轴与单元坐标系的一致。 第2 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在钢骨架以及前窗玻璃进行离散中，采用能承受平行和垂直中面载荷的s h e l l 6 3 单 元对其板梁、玻璃面元进行网格划分，且大多数面采用四边形映射法，只在部分曲率变 化较大、形状不规则区域采用自由网格划分；同时利用s o l i d 4 6 多层单元对前窗下的玻 璃钢面板、泡沫、粘胶层进行网格划分，划分时采用六面体扫掠和四面体结合的方法进 行划分；并对它们进行适当的分层，将玻璃钢面板分为2 层，每一层厚度为1r l l r n ，粘胶 层分为2 层，每层厚度1m m ，泡沫分为4 层，每一层厚度为2 c m 。利用s h e l l 9 1 非线 性层单元，采用四边形映射法对侧墙和顶盖的玻璃钢夹芯结构进行网格划分。网格在前 窗受载荷作用大的区域边长设为2 0 m m ，顶盖部分网格尺寸设为6 0 m m 。司机室有限元网 格划分如图3 7 所示。 3 2 2 2 单元介绍 图3 7 司机室网格划分图 离散钢骨架、前窗玻璃采用s h e l l 6 3 单元，如图3 8 所示，该单元是四节点弹性壳单 元，具有弯曲和薄膜两种能力，所以能承受面内载荷和横向载荷。单元的每一节点具有6 个自由度：沿着x 、y 和z 方向平移和绕x 、y 和z 轴转动【2 8 】。可以包含应力强化和大变 形能力。利用该单元能最大程度地对司机室钢骨架的连接局部进行模拟，而且还能最大程 度上反映结构的真实受力状况。 第2 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 啊2 e l e m e n tx 一斑5i f e s y s n o t6 u p p 】i e d x = e l e m e n tx 一出i f e s y s s u p p l i e d 图3 8s h e l l 6 3 单元 离散司机室前部8 0 m m 厚泡沫芯及其上、下两面板采用了s o l i d 4 6 单元，并设置其失 效准则为最大应力失效准则。如图3 9 所示，s o l i d 4 6 单元是8 节点三维实体单元s o l i d 4 5 的一种叠层形式，其每一节点上有3 个自由度( u x ，u y , u z ) 2 8 】。它可用于建立叠层壳或实 体的有限元模型，每个单元容许多达2 5 0 层的等厚材料层。另外，该单元在1 2 5 层的范围内， 可容许层厚在单元面积上以双线性变化。该单元类型的另一个优势是可以另加几个单元到该 模型上，使得该模型层数超过2 5 0 层，而且容许厚度变形的斜率不连续。s o l i d 4 6 也可以 在横向调整材料的特性，容许在横向有不变的应力。但与其他8 节点壳单元相比，s o l i d 4 6 是一种底阶单元，因此，在壳体的应力中，为达到与s h e l l 9 1 或者s h e l l 9 9 相同的精度 必须要求细化网格。 t o p街 o p n 炉晌n 0 坤l n ，o ，p 。硷。 x o = e l e m e mx 一i f e s y s i sn o ts u p p l e d x = e k m e n tx - 斑si f e s y si ss t 瑚p l i e d 图3 9s o l i d 4 6 单元 第2 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 离散侧墙和顶盖的玻璃钢泡沫夹芯结构采用s h e l l 9 1 单元，s h e l l 9 1 是非线性层状 结构壳单元，它是a n s y s 单元库中用于计算夹芯结构的专用单元，该单元在夹芯结构计 算领域具有极其重要的作用。在此先介绍该单元的一些设置特性，然后将重点介绍该单元 计算理论基础。 如图3 1 0 所示，s h e l l 9 1 2 8 1 单元是一种8 节点三维壳单元，每个节点有六个自由度， 它容许复合材料最多只有1 0 0 层，而且不容许输入材料特征矩阵，但是s h e l l 9 1 支持塑 性、大应变行为以及一个特殊的“夹层”选项。该单元可用于夹层结构并且容许面板和夹 芯有不同的性质，将单元k e y o p t ( 9 ) 设置为1 即可激活“夹层”选项，激活“夹层”选项 后，a n s y s 软件将推荐k e y o p t ( 5 ) 设置为1 ，即单元结果输出在每一层中间，同时也要 求记录下所有层的计算结果，即将k e y o p t ( 8 ) 设置为1 。夹层结构将假定夹芯层承受了所 有的横向剪切载荷，而面板则承受所有的弯曲载荷，并对夹层结构的面板和芯材做出如图 3 1 1 所示规定： 2 e 1 m e m x 一商s 正e s y s i sn o ts u p # e d x = e l e m e mx 一商se e s y si ss u p p f i c d i n = l 呵口n m n b e r n l = t o t a ln u m b e ro f l a y e r l 图3 1 0s h e l l 9 1 单元 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 其中 【d 】_ b e ：b v 。e 。 q b v 。y e x b e y o 0o0 o0o 0oo o0 o 肚纛易一( v 。) 2 o 垒 o ， oo 鱼 ， e 。= 第j 层x 方向的杨氏模量( 材料特性中输入e x ) v 。= 第j 层x y 平面的泊松比( 材料特性中输入n u x y ) g ：。= 第j 层x - y 平面的剪切模量( 材料特性中输入g x y ) 4 艨参 厂= 1 o + o 2 兰 【 2 5 f 2j a = 单元面积 t = 单元平均厚度 2 、应力、应变和力矩计算 ( 3 1 ) 形函数假定横向剪切应变在厚度方向是一个常数，然而，横向应力在自由面表面必须 为“0 ”。因此，除非线性材料和夹芯结构( k e y o p t ( 9 ) = 1 ) 外，应力调整表达式： 盯卅= 要( 1 一r 2 ) 盯聊 ( 3 2 ) 盯。：要( 1 一r z ) 盯。 ( 3 3 ) 盯。= 横向剪切应力 盯。2 横向剪切应力与应变一变形之间的关系 第2 9 页 0 0 0 0 o o o 吒 国防科学技术大学研究生院学位论文 r = 坐标系的法线，变化范围：一1 0 ( 底) - - + 1 0 ( 顶) 3 、力和总力矩 平面力计算公式 t 制华 l 制华 弓剖华 l = 面内单位长度上的x 力( t x 输出) n | = 层号 口：= 在第j 层上顶面单元x 方向的应力 盯。b = 在第j 层底面单元x 方向的应力 ，2 j 层厚度 面外力矩计算公式： ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 1n t 咀2 吉勖( 吖b “，b + z ；) 仲 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 虬= o a 。 ( 3 1 0 ) n y = r ，盯。 ( 3 - 1 1 ) 札= 单位长度上的横向剪力( n x 输t b ) d _ = 第j 层单元x - z 平面内的平均横向剪应力 4 、层间剪应力计算 在没有体积力的情况下，无限小体积元的平衡方程 孕+ 孕+ 孕：o ( 3 - 1 2 ) 知却如 _ 0 0 y x + 孕+ 盟：o ( 3 - 1 3 ) 缸a v 8 z 其增量表达式： 峨一 等+ 百a o x y p 旧 畛一心陪+ 可a o y 将上式代入第j 层 其中 嵋州，陪+ 等 b 嵋叫鲁+ 爿 b 切 a o - 。= ( 盯；+ 盯；一盯。1 - o ；) 2 0 a g 。= ( 盯+ 盯毛一喝- b ) 2 0 a o 。= ( 吒+ 盯圳3 一盯。1 一盯乞) 2 0 a o 。= ( 盯j + 盯：一盯。1 一2 ) 2 0 第3 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 盯三= 第j 层单元3 节点x 方向的应力 x 和y 如图3 1 3 所示 v o 卸时酬。“p o i r e 因此，层间剪应力计算式 图3 1 3 剪切变形图 it e = 一爿，0 ( 3 - 1 8 ) j = |； f j = a c t 。一a y f ， ( 3 - 1 9 ) j = lj = l x f ! = 第k 层与k + i 层之间的层间剪应力( i l s x z 输出) t - 总厚度 ， 盯。 s 。3 午 ( 3 - 2 0 ) 5 、夹层结构特殊设置 将k e y o p t ( 9 ) 设置为“l ”即进入夹层操作，夹层结构与上述比较有如下特点： 1 、中间夹芯层材料特征矩阵 d 为“l ” 2 、横向剪切模量( g ”和g x z ) 在底层和项层设置为“0 ” 3 、横向剪切应变、应力在表面( 非夹层) 设置为“0 ” 第3 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2 4 施加约束和载荷 司机室作为机车的一个主要部件，其所受载荷工况相当复杂，按安全性要求简化后司 机室所受载蘅主要有保护工况所要求的下窗处能承受总值3 0 0 k n 的压力以及6 k p a 会车风 压。因为计算模型是取司机室半结构，故分配在半结构压力为1 5 0 k n 。这一压力作用在前 窗下栅格内玻璃钢面板上，利用s o l i d 4 6 对2 m m 厚的玻璃钢面板进行划分，在其表面上 共生成1 7 6 8 个节点。将1 5 0 k n 力平均作用于这些节点，每一节点所受水平方向的集中荷 载为8 5 n 。司机室迎风面上施加6 k p a 的均布压强，将作用于前窗玻璃、前窗下部以及顶 盖突前的迎风面上。 司机室钢骨架后端墙与机车动力部分以及司机室前部车灯下与车架之间采用胶粘加 螺栓连接，在模型中施加固定约束。前窗钢骨架竖向支撑与车架连接处为螺栓连接，因此 在模型上施加u x 、u y 、u z 三向约束，在司机室钢骨架的对称面上施加对称约束。 3 3 初始设计计算结果 建立参数模型后，根据上一节确定的参数模型钢板梁初始取值，以及第二章中所选定 玻璃钢泡沫夹芯结构材料力学性能常数，然后施加约束和载荷对有限元模型进行第一次计 算，计算结果如图3 1 4 所示。 ( a ) 钢骨架的等效应力图 ( b ) 司机室的等效应力图 第3 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 4 玻璃钢泡沫夹芯结构优化设计 3 4 1 优化设计对象的选取 在侧墙和顶盖的玻璃钢泡沫夹芯结构中，位于司机室顶盖迎风面上的玻璃钢夹芯结构 的应力、应变相对较大，是该类型玻璃钢泡沫夹芯结构进行优化设计的控制部位，故取该 部分作为优化设计对象进行泡沫夹芯选材和璃钢面板厚度优化设计。 3 4 2 优化设计方案 玻璃钢泡沫夹芯结构优化设计采取的设计方案大致可分为两步：第一步，针对初始计 算的结果，对泡沫夹芯作材料选择上的优化。第二步，在确定芯材型号后，设定芯材厚度 为一固定值，玻璃钢面板厚度为设计变量，求得在某一特定的载荷条件下与此芯材厚度尺 寸对应的板厚最优解，而后在上述优化结果的基础上，对一系列的芯材厚度值进行玻璃钢 面板厚度尺寸优化。 3 4 3 玻璃钢夹芯结构优化 取司机室顶盖迎风面上的玻璃钢夹芯结构为优化设计对象，该部分的结构计算模型可 以简化为四边固支的平面板结构，考虑到工艺制造水平以及复杂受载条件下对玻璃钢夹芯 结构承载能力的影响，并留有足够的余度。故将玻璃钢夹芯结构的设计载荷值设定为1 0 倍风压，即6 0 0 0 0 p a 。其计算模型如图3 1 5 所示。 图3 1 5 玻璃钢泡沫夹芯有限元模型 第3 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表3 3k l e g e c e l ls r 级结构泡沫材料性能表 根据计算所取得的经验，先对低密度泡沫进行试算。如低密度泡沫能满足承载要求， 则优先考虑选用低密度泡沫，一方面是因为低密度泡沫成本比高密度泡沫低，另一方面 也对降低司机室重量有帮助。现分别从r o h a c e l l - - 3 1 i g 和k l e g e c e l l - - s r 4 0 两种 低密度泡沫开始逐级向高密度的泡沫取值进行试算，泡沫芯材厚度为2 4 m m ，而面板的材 料仍采用与前所述相同的玻璃钢面板，厚度为2 m m ，力学性能不变，计算结果如表3 4 所 列。 表3 4 泡沫芯材选材计算结果 在模型所对应的载荷与约束条件下，泡沫是否被选用的标准是考察泡沫是否发生受压 破坏或剪切破坏。将以上各型泡沫计算结果与材料性能表的极限强度相比较，如5 1 i g 最 大压应力为o 6 1m p a ，而其压缩强度为0 9m p a ，故可以得到s r 6 0 以上级和5 l i g 以上级 均能满足承载要求。在本优化设计中将选取r o h a c e l l - - 5 i l g 作为芯材材料。 第3 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 玻璃钢面板强度无论在厚芯材还是薄芯材的情况下均有较大富余，而且在芯材厚度由 1 8m m 减至1 0 m m 过程中，玻璃钢面板的厚度增加明显，这主要是为了维持结构的刚度。但 同时也可以从上表结果中发现泡沫夹芯结构并非芯材愈厚，玻璃钢面板取值就一定愈小，当 芯材为2 4m m 厚时，对应的面板厚度为1 6 5m m ，而芯材为2 0i 衄厚时，对应的面板厚度 却为1 6m m ，这可能是因为芯材厚度超过一定值后，其刚度明显增大，玻璃钢面板的可变 形性降低，分担载荷作用的能力也降低。 3 4 5 泡沫夹芯结构优化结论 通过以上优化设计，选择2 m m 厚的玻璃钢作为面板，2 0 m m 厚的r o h a c e l l 一5 l i g 泡沫作为芯材，设计制造司机室侧墙和顶盖的泡沫夹芯结构。与采用r o h a c e l l 1 1 0 i g