（车辆工程专业论文）三明治复合板结构高速磁浮列车承载结构优化研究.pdf

摘要 摘要 高速磁浮交通作为新的轨道交通运行模式正在受到越来越多的关注。经过多 年的试验研究，磁浮技术趋于成熟，有望在新世纪地面高速轨道交通中发挥出巨 大的潜能和领先的优势。上海磁浮示范线的成功运营标志着高速磁浮技术商业化 的开始。目前，上海磁浮线运行列车是由德国制造的，为了推动我国高速磁浮交 通的发展，实现磁浮列车的国产化具有重大意义。而由于磁浮力的严格限制，高 速磁浮列车的高度轻量化技术成为车体设计的关键技术之一。本论文在吸收和消 化现有高速磁浮列车技术的基础上，着重对我国磁浮列车承载结构进行了分析和 轻量化优化设计研究。 现磁浮示范线列车运用多种方法实现结构轻量化，其中主要手段之一是新型 结构材料三明治复合板在车体承载结构的应用。我国对这种新材料应用较少，在 轨道车辆上尚无运用三明治复合板的先例，因而对这种材料缺乏了解，由其构成 的大型结构分析方法更有待研究。本论文首先通过对多种三明治夹层板建模方法 的分析比较，探讨了适合于三明治复合板大型结构有限元分析的既有较高精度又 经济有效的建模方法；然后，运用有限元商业软件m s c n a s t r a n 对高速磁浮 车体承载结构进行了有限元分析，了解了设计磁浮车结构的强度刚度和动态特 性。在此基础上，按照结构优化设计理论，以车体结构轻量化为目标函数，以板 厚为设计变量，应力、位移和弯曲自振频率为约束条件，建立高速磁浮车体承载 结构优化分析模型，并进行结构优化分析研究，从而获得了高速磁浮车体承载结 构的轻量化设计方案。最后，论文通过进一步的以三明治板面板为设计变量的优 化研究，探讨了三明治复合材料车体承载结构最轻量优化设计的技术，并提出了 建议和展望。 关键词：磁浮列车三明治板车体有限元分析结构优化 a b s t r a c t a b s t r a c t a san e wr a i lt r a n s p o r t a t i o nm o d e ，h i g hs p e e dm a 酉e vi sa t t r a c t i n gm o r e a t t e n t i o nr e c e n t l y i t st e c h n o l o g yi sg e t t i n gm a t u r ea f t e rm a n yy e a r s r e s e a r c ha n d t e s t i n g i tw i l le x e r tl a r g ea d v a n t a g ea n dp o t e n c yi nh i 曲s p e e dr a i lt r a n s p o r ta r e ai n t h en e wc e n t u r y t h es u c c e s so fs h a n g h a im a g l e vl i n ei n d i c a t e st h eb e g i n n i n go f c o m m e r c i a l i z a t i o nf o rh i g hs p e e dm a g l e v a tp r e s e n t , s h a n g h a im a g l e vt r a i ni sm a d e i ng e r m a n y i no r d e rt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fh i g hm a g l e vt r a n s p o r ti nc h i n a ， r e a l i z i n gn a t i o n a lp r o d u c t i o no fm a 西e vt r a i nh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h eh i g hl i g h t w e i g h tt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fm a g l e vc a rb o d yd e s i g nd u et o t h el i m i t e dm a g n e t i cs u s p e n s i o nf o r c e t h i st h e s i se m p h a s i z e so ns t r u c t u r a la n a l y s i s a n dl i g h tw e i g h to p t i m i z a t i o nr e s e a r c hf o rn e wm a g l e ve a rb o d ys t r u c t u r eb a s eo nt h e e x i s t i n gm a g l e vt r a i nd e s i g nt e c h n o l o g y s h a n g h a im a g l e vt r a i nu s e sm u l t i - m e t h o dt or e a l i z el i g h tw e i g h td e s i g n ，o n eo f t h em e t h o d si st h ea p p l i c a t i o no fn e ws t m c t u r em a t e r i a ln a m e ds a n d w i c hp a n e li nc a r b o d y t h i sm a t e r i a li sl e s su s e di no u rc o u n t r y , a n di th a s n tb e e nu s e di nd o m e s t i cr a i l v e h i c l e s ow eh a v el e s sk n o w l e d g ea b o u tt h i sm a t e r i a l ，a n dt h ea n a l y s i sm e t h o df o r l a r g e - s c a l es t r u c t u r e 埘t 1 1t h i sm a t e r i a ln e e d st ob es t u d i e d t h i st h e s i sf i r s t l ya n a l y s e s a n dc o m p a r e ss e v e r a lm o d e l i n gm e t h o d sf o rs a n d w i c h 呻s t r u c t u r e ，d i s c u s e st h e p r o p e rf e am o d e l i n gm e t h o dw h i c hi s 、 ，i t hb e t hh i g ha c c u r a c ya n de c o n o m yf o r l a r g e - s c a l es a n d w i c hp a n e ls t r u c t u r e t h e na l la n a l y s i so fh i g l ls p e e dm a g l e vc a rb o d y i s p e r f o r m e du s i n gf e as o f t w a r em s c n a s t r a nt ok n o wa b o u ti t s s t r u c t u r e s t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n dd y n a m i cb e h a v i o r b a s e do nt h i s ，t h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo f h i g hs p e e dm a g l e vc a ri se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt os t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nt h e o r y , i n w h i c ht h ew e i g h ti sd e f i n e da so b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h ep a n e lt h i c k n e s si sr e g a r d e da s d e s i g nv a r i a b l e ，a n ds t r e s s ，d e f l e c t i o na n df r e q u e n c ya r ec o n s i d e r e da sc o n s t r a i n t s a s a t i s f i e dd e s i g nl a y o u to fs t r u c t u r ef o rh i g hs p e e dm a g l e vt r a i ni so b t a i n e da f t e rt h e o p t i m i z a t i o n a tl a s t ，t h i st h e s i ss t u d i e so nt h eo p t i m i z a t i o na p p r o a c ho fs a n d w i c h p a n e li nw h i c ht h et h i c k n e s so fs k i np a n e li sd e f i n e da sd e s i g nv a r i a b l e ，a n de x p l o r e s o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yf o rl i g h tw e i g h td e s i g no fc a rb o d ys t r u c t u r ew i t hs a n d w i c h p a n e l s t h es u g g e s t i o na n de x p e c t a t i o ni sp u tf o r w a r da sw e l l k e yw o r d s ：m a g l e vt r a i n ；s a n d w i c hp a n e l ；c a rb o d y ；f e a ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n 第1 章引言 第1 章引言 1 1 高速磁浮交通与磁浮列车的发展概况 传统轮轨铁路的运营速度经过一百多年的发展，达到了3 0 0 3 5 0 公里时， 其进步提高受到了用轮轨支承和受电弓供电的限制。高速磁悬浮列车用电磁力 将列车浮起而取消轮轨，采用长定子同步直线电机将电供至地面线罔，驱动列车 高速行驶，从而取消了受电弓，实现了与地面没有接触、不带燃利的地面飞行， 克服了传统轮轨铁路的主要困难。从6 0 年代起，日本、德国作为国家研究发展 计划，投入了数十亿美元的资金，经过长期持续努力，使整个技术已经成熟到可 以建造实用运营线，最高运营速度已达5 5 0 公里时。 经过三十多年的持续努力，日本与德国分别发展成熟了超导电动式与常导吸 引式两种类型的高速磁浮列车技术。前者采用先进的低温超导磁体技术，悬浮气 隙可达1 0 厘米，适应性较好，易于达到更高速度；后者悬浮气隙约1 厘米，与 现有工业技术衔接较好，技术比较成熟。 德困白1 9 6 2 年开始进行磁悬浮基础研究。1 9 7 7 年决定集中发展常导吸引式 磁浮列车。1 9 8 7 年建成了总长3 1 5 公罩的e m s l a n d ( 埃姆斯兰特) 单线试验线， 对经长期发展已大体定形的t r 一0 7 实用车进行了长期运行试验，达到最高4 5 0 公里时的速度。德国政府专门组织了由联邦铁路中心局牵头、联邦铁路和七所 著名大学的专家们组成的工作组进行了全面地评价、鉴定，得出了该系统技术e 应用成熟的结论。 日本一直致力于发展超导电动式磁浮列车。1 9 7 2 年研制成m l 1 0 0 试验车， 1 9 7 7 年建成了长7 公罩的宫崎单线试验线，开始时为倒t 型轨道，1 9 7 9 年m l5 0 0 试验车创造了5 1 7 公里时当时的最高记录。1 9 8 0 年作了重大的方案变化，将试 验线改为u 形轨道。先后进行了m l u 一0 0 1 、m l u 0 0 2 和m l u o o x l 的试验车试验。 1 9 9 0 年决定建l j 梨试验线，全长1 8 4 公里，为复线，1 9 9 7 年4 月开始了试验， 无人时行驶速度已达5 5 0 公里时，进展良好。 2 0 0 0 年6 月3 0f ，中德两国政府正式签订双方合作开展上海磁浮列车示范 运营线项目可行性研究的协议。 2 0 0 3 年，采用德国t r 0 8 技术的上海市浦东龙阳路至国际机场约3 j 公单的 磁浮示范线正式投入商业运营。 总体来说，高速磁悬浮列车技术的主要特点与优势是： 1 ) 克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景更为广阔。 2 ) 是当今唯能达到运营速度5 0 0 公里时的地面客运交通工具，其优越性 不可取代。 第l 章引言 ：；) 能耗低，5 0 0 公罩时速度下每座位公罩的能耗仅为飞机的l 3 1 2 ， 在3 0 0 公里时的相同速度下，德国t r 磁浮列车每座位公罩能耗比i c e 轮轨高 速列车少3 3 。 4 ) 噪音小，实测表明，列车通过时2 j 米距离处的噪音，3 0 0 公早时，德 国t r 列车为8 3 分贝，工c e 列车为8 8 8 9 分贝。 5 ) 启动停车快，爬坡能力强，选线自由度较大。德国t r 磁浮列车时速达 2 0 0 公里时需启动5 0 秒( 行程2 公里) ，而i c e 轮轨高速需i 5 0 秒( 行程5 公 罩) ；磁浮列车爬坡能力可达1 0 ，轮轨高速为4 ；在同等速度下，磁浮列车 转弯半径小，从而选线自由度较大。 6 ) 安全、舒适、维护少。磁浮列车在结构上保证不易脱轨，推进方式不易 撞车；由于没有车轮和铁轨的接触及受电弓的机械接触，震动小，舒适性好；维 护主要集中在电子技术方面，不许大量体力劳动。 7 ) 采用电力驱动，不燃油。其发展不受能源结构，特别是燃油供应的限制。 无有害气体的排放，环境污染小【2j 。 据预测研究，我幽铁路在2 1 世纪上半叶将进入高速铁路建设高潮时期，至 2 0 5 0 年，铁路网将由目前的6 5 力- 公里增至1 2 万公里，其中包括0 8 万公里的 高速客运专线。但是，随着社会的进步。公众对地面交通工具有更高的速度需求， 高速磁悬浮列车作为一种新的超高速轨道运载工具将更能满足人们对高速客运 发展的要求，在我国也有其发展空间和广阔的市场d f 景： l 、目前考虑的主要客运专线多为中长距离，对于较长距离的地面交通运输 而言，5 0 0 公里时的磁浮列车比3 0 0 公里时的高速轮轨列车在旅客介于民航 和铁路两难的选择中将具有显著的优越性。 2 、我国铁路高速客运专线的建设刚刚起步，高速客运网的形成需近半个世 纪的持续努力，在中远距离高密度客运区间适当建设高速磁浮线将与铁道交通互 补，更好地推动这些地区经济和技术的繁荣与发展。 3 、高速磁浮交通体系的发展将带动众多高新技术前沿的发展，也会促进与 磁浮相关的如材料、工艺、控制等领域的发展以及与其他车辆制造业的互动。 4 、世界上第一条高速磁浮交通示范线在我国上海建成并运营获得成功，尽 管该磁浮线及其运行车辆是由德国规划和制造的，但通过与德国在建设过程中的 合作，使我国技术人员有机会亲密接触和直接了解、学习国际最新技术，对于我 国建设自己的磁浮线及自主研发磁浮列车是十分有利的条件。 当然，与运营已有三十多年经验的高速轮轨铁路相比，高速磁悬浮列车在技 术成熟性和建设运营经验有着一定的差距，特别是在投资、兼容、成网、运量等 2 第l 章引言 方面。高速磁悬浮线的投资比高速轮轨铁路高2 0 5 0 ，其运量也比高速轮 轨系统低。掌握磁浮车辆设计制造关键技术并进一步改进磁浮车辆的性能以及降 低磁悬浮交通系统的投资成本，增加其运量等系列问题将成为我国磁悬浮列车发 展需重视的问题。 1 2 高速磁浮列车车体结构的特征与设计关键技术 1 2 1 车体结构特征 高速磁浮列车车体结构可分为车体承载结构和走行机构。与以往的轮轨式车 辆有很大不同，高速磁浮车体承载结构由车厢体及设备夹层组成，车厢体设计基 于德国t r 0 8 技术，参照航空器设计标准，由铝型材粱和三明治复合铝板通过焊 接和铆接的方式构成，流线型外形设计。三明治复合板面板为铝板，芯材为泡沫 材料。设备夹层与车厢体地板直接相联，并承担载荷，是车体承载结构的重要组 成部分，绝大部分电气控制单元以“抽屉”的方式安装在设备夹层结构内 3 】。 图1 1 军体结构图 与轮轨系统的轨道车辆相比，上海高速磁浮示范线列车承载结构有两大特 点：1 、车厢大面积使用三明治复合板；2 、承载结构以设备夹层和车厢体组装而 成，采用模块化设计。这种结构设计突出的优点是高度轻量化，从而在保证列车 在满载的情况下，车体承重仍能保持小于电磁铁悬浮力，以避免悬浮失效。总之， 首次运用于商业运营的t r 0 8 高速磁浮车在结构设计方面的些特色，对于发展 我国的磁浮新交通系统，研发自主知识产权的高速磁浮列车，具有较大的借鉴意 义。本论文拟通过分析研究消化吸收国外磁浮车体设计的先进技术，将其应用于 国产磁浮车的设计中，同时运用现代优化没计技术，为设计出更轻更安全可靠的 国产磁浮车而进行有益的探索。 蛩、 磁浮列车分头车和中车两种类型车体，两者结构尺寸大致相同，头车多了一 3 第1 章引言 个车头，本文以磁浮列车头车为研究对象。文中车体承载结构即指头车承载结构。 1 2 2 设计关键技术 1 2 2 t 三明治复合板结构分析问题 高速磁浮车体大面积的使用了三明治复合扳这一轻量化结构材料。三明治复 合板又可称为复合夹层板，自二次世界大战英国首次在飞机上应用三明治复合板 结构以来的几十年中、三明治复合板结构因比剐度大的突出优点被越来越多地应 用于航空航天和船舶的制造部门，在工程中也愈来愈受重视1 4 】。作为。种轻量化 结构材料被越来越多的运用在各工程制造领域。 三明治复合板壳是由两块高强度的薄表层( 承载层) 即面板和充填其中用以 保证两块表层共同工作的、有一定强度而很轻的中间层( 芯层) 所组成。表层通常 采用金属( 不锈钢、铝) 、复合材料层板、硬塑料等。夹芯可以来用泡沫塑料 5 】， 波纹金属薄片，铝或不锈钢薄片、玻璃布、碳纤维布、塑料、纸等制成的蟓鸯。 这样的结构具有重量轻、强度高、刚性大的特点。若适当选择表层和芯层还可 以获得良好的抗撞击、抗振动、隔热、隔音及其它必要的性能( 如电性能等) 。 作为板材型式的轻量化结构材料，三明治复合板特别适合同样是以板梁结构 为主的轨道交通车辆的车身设计。对此，欧美国家如德国，瑞士对三明治复合板 结构在轨道车辆中的应用研究已进行了多年，并已应用于实际结构中。近年来， 国外一些工程专家也对三明治复合板结构进行了研究，并对使用三明治复合板结 构的轻轨车辆和轨道车辆车顶部件进行了静力学和动力学测试，结果表明三明治 复合板结构的车辆及部件在众多方面都优于普通的单层钢板结构车辆1 6 j 。此外， 另一种较常用的以玻璃纤维材料为面板的三明洽结构也已用于一些轻轨车及其 它车辆上。瑞士公司s c h i n d l e rw a g g o na g 早在上个世纪9 0 年代就开始采用三 明治结构对车辆进行模块化设计，该公司采用玻璃增强塑料面板，p m i 泡沫中间 层材料的三明治结构进行了1 5 m 长的整车结构设计，并已在试验线上进行了多项 性能测试【7 1 。试验表明，三明治复合板结构的车体无论在强度，隔热性，隔噪性 还是防火性方面都比传统钢结构车辆表现优越，而轻量化更显示出优势。 但是三明治复合板新型材料的特殊性也对结构分析研究带来了新的挑战，特 别由于面板和芯材的材料特性及厚度差别较大，为了确保精度，按照一般可采用 的建模方法将使大型结构分析规模激增，以至在现有的微机上分析难以实施，更 无法进行结构的优化了。此外，国内对三明治复合板以及复合材料的应用研究起 步较晚，对其大型结构分析尚无先例，而对三明治复合板的特性及分析方法研究 是实现高速磁浮车体自主设计的一个关键技术，因而有必要探索出一种能兼顾解 题规模和计算精度的经济实用的建模方法。 4 第1 章引言 1 2 2 2 高度轻量化设计和结构优化技术 无论是对于高速磁悬浮列车，高速轮轨列车，还是高速行驶的其它车辆，在 额定牵引功率下，尽可能降低能耗以实现运行的高运能和低成本，是一个永恒的 追求目标，而要实现这目标，车辆的轻量化是关键技术之一。 轻量化优化设计的途径可归纳为两个方面： ( 1 ) 采用轻量化材料，以轻质材料代替高密度材料，这是轻量化设计最为 直接的方法。我国传统轨道车辆多采用普通钢或耐候钢，但这两种材料防腐蚀性 能较差，且不能有效减轻自重，所以不适宜作为制造高速客车车体的材料；不锈 钢具有优良的耐腐蚀性能，与普通碳钢相比，车体重量可减轻1 0 2 0 ，但 是我国制造不锈钢的原材料较缺乏，而且在不锈钢薄板加工、制造和焊接方面还 存在一定问题，在很大程度上限制了不锈钢车辆的发展；近年来，我国开始使用 铝合金制造车体，铝合会密度小，比强度高，耐腐蚀性能和成型性能好，与钢制 车辆相比，可减重3 0 5 0 ，由于铝合金材料成型容易，可挤压出各种形状 的断面，通过结构优化设计，使各部件厚度的分配更趋合理1 8 j 。但是铝合金车体 相对钢结构车体刚度往往不足，导致对其动态特性影响较大，随着轨道交通速度 的逐步提高，铝合余车体也逐渐显得不能满足高速车体各方面的要求。 高速磁浮车为确保高速运行时车体系统的稳定性并保证悬浮有效，对轻量化 的要求更高，德国高速磁浮车采用三明治复合板与铝合金型材的结构，成功实现 车身的高度轻量化并确保了车体强度与刚度。 ( 2 ) 结构优化设计，是在已有材料和结构的基础上，根据设计要求，设置参 数和约束，采用最优化设计方法，得到最优结构参数设计方案，这是六十年代迅 速发展起来的一种现代设计方法，随着电子计算机技术的应用和发展，这种方法 被越来越广泛地应用在机械、建筑等结构设计的各领域，成为工程设计的重要手 段之一，也是较高层次的设计技术。而存实际结构设计中，两个方面往往都需要 同时考虑，即要考虑采用机械性能较好的轻量化材料，还需对这种材料构成的结 构进行轻量化优化设计。 国内对于采用钢结构和铝合金结构的轨道车辆的结构优化研究已经做了不 少工作，已具有一定基础。1 9 9 3 年，西南交通大学的科技人员运用( ( g j o p t ) 软 件对广深线上的双层客车车体承载结构迸行了次优化，他们以梁的截而惯性矩 为设计变量，以强度和刚度为约束条件，通过优化计算，获得了较原结构轻 1 3 0 0 k g 的钢结构优化设计方案；1 9 9 7 年初，四方车辆研究所的研究人员以侧墙 板和地板厚度为设计变量，强度和刚度为约束条件，对c 0 4 型敝车的1 4 车体模 型进行了优化，并使重量有了较为显著的下降。许多大学对此也都进行过不同程 度的研究和实践，但是，不论是对于客车车体还是对于货车车体的优化，都只是 3 第l 章引言 针对于铝合金结构或是钢结构材质，而且都存在着单元细化程度不够高和约束条 件不够全面的不足之处。对于大面积采用复合型结构材料的车体的优化分析，国 内轨道车辆领域还缺乏相应经验。 1 3 本课题研究的目的和意义 上海高速磁悬浮示范线的成功运营不仅是代表了高速磁悬浮的第 次商业 运营，也进一步证明了磁悬浮技术的初步成熟及其先进性，为高速磁浮在困内j 至国际上的商、i k 运营跨出了宝贵的第一步。作为能与国内未来几十年规划的高速 客运专线极具竞争力的磁：晷浮技术，其最高速度达4 3 0 k m h 的商、i k 运营吸引了同 内无数人的目光，也曾引发一些省市的磁浮憧憬。但是，由于该线路装备和运行 车辆都是由德国提供的，其代价是相当昂贵的。因而，这种新型的轨道交通要在 国内得以发展的关键之一就在于我国能否实现磁浮车辆的国产化以及研发出具 有自主知识产权的磁浮列车。而车体承载结构是高速磁浮列车的最基本的部分， 它的自主设计研发是实现高速磁浮列车国产化的第一步。 为了实现这一目标，科技部在2 0 0 3 年设立8 6 3 高新技术项目“高速磁浮列 车研制”，组织全国有关高校、研究院所和飞机与轨道车辆领先企业其同攻关， 同济大学车辆工程( 机车车辆) 学科作为参加成员承担了高速磁浮列车车体结构 分析研究的任务。本论文研究就属于其中的一部分工作。 本论文将从高速磁浮列车结构设计的两方面关键技术丌展研究，其是三明 治复合板结构的建模方法及其分析。其二是对这种以三明治复合板结构为主的车 体结构进行轻量化优化设计研究。高速磁浮列车由于大量使用j 明治复合极，对 其结构分析及优化首先必须掌握三明治复合板的分析方法。在国际上，二明治复 合板这类复合型材料结构的优良特性已经被理论研究及试验所验证，并在众多的 工程领域得到实际运用和进一步推广。但由于目前国内轨道车辆领域对复合材料 的使用才刚刚开始，还缺乏二_ 三明治复合板及其它复合材料的分析经验，探索合适 的三明治复合板的分析及设计方法，不仅对我国磁浮列车研发具有较大的现实意 义，也对其它工程领域三明治板的应用具有借鉴意义。而基于现代优化设计技术， 对我国高速磁悬浮列车承载结构的分析及优化设计的研究，不但有助于掌提高速 磁浮车辆结构特性，为轻量化高速磁悬浮国产化车辆的设计提供最佳结构参数， 也将为新璎复合型材料在轨道车辆及其它轻量化载运工具的应用提供参考。 1 4 本文研究的内容 针对本课题研究的目的以及需要解决的问题，本文将针对高速磁浮车设计关 6 第l 章引言 键技术，通过以下几方面的工作内容进行研究： ( 1 ) 对二三明治复合板的结构分析方法进行理论探索，在提出几种分析方法的基 础卜，采用有限元技术，使用m s c n a s t r a n 软件，分别运用这几种方法对轨道车 辆车顶结构进行实例分析，并以精确度较高的三维模型方法为基准，比较几种方 法的优劣，寻求一种合适的方法进行车体分析研究。 ( 2 ) 在了解高速磁浮列车承载结构的基础上，采用经比较确定的三明治复合板 分析方法，建芷磁浮列车头车承载结构的整车模型，依掘高速铁路规范和磁浮车 的载荷设计说明书确定高速磁浮车的载荷工况，对其进行强度，刚度和模态分析， 了解其结构特性和应力状态。为下一步的优化分析提供数据依据。 ( 3 ) 阐述结构优化的基本理论和方法，明确本次车体承载结构的优化设计所使 用的方法，为优化研究的进行提供理论依据。 ( 4 ) 以轻量化为设计目标，设置众多优化参数和约束，建立磁浮列车头车承载 结构的优化分析模型，进行磁浮列车各设计变量相对各种响应的灵敏度分析，在 充分了解优化分析模型各参数特性的基础上，对磁浮列车承载结构进行优化设 计，并对优化结果进行圆整得出最终优化方案。最后对该方案再次进行完整的强 度，刚度和模态的分析，得到了可行的优化方案。 ( 5 ) 在三明治复合板结构车体的分析优化经验的基础上，对三明治复合板的优 化设计方法展开进一步的探讨，并以轨道车辆车顶为例，研究将三明治结构上下 两面板厚度分别作为独立设计变量的三明治复合板结构优化。 ( 6 ) 最后对本研究工作进行总结，并提出了对后续研究工作的展望。 本文的研究t 作具有以下创新点和特色： 1 、磁浮交通是一种全新的轨道交通模式，本文对这种新型三明治复合板结构的 高速磁悬浮车体承载结构的分析与优化属国内首次； 2 、根据高速磁浮车承载结构以复合板材和挤压型材为主的特点，将三明治复合 板结构材料引入优化分析，实现了以轻量化为目标，以各大部件的板厚为没计变 量的大型复杂结构的设计优化； 3 、优化的多约束多工况性，除了铝合会结构的应力约束和位移约束，还将车体 一阶垂向弯曲振动的自振频率设为约束条件，唰时三明治复合板备板层的应力也 设为约束条件，在保证车体刚度强度特性的同时确保三明治复合板的有效性。 分析采用人型有限元商业软件f f s c n a s t r a n 进行，在对车体结构尽可能详细 建模的基础上进行结构优化，从而具有较高的分析精度。 4 、对三明治复合板的上下层厚度尺寸的合理匹配进行了分析，探讨了以三明治 结构两块面板厚度为独立设计变量的优化方法。 第2 章一明治复台板结构的自限元分析研究 第2 章三明治复合板结构的有限元分析研究 2 1 三明治板复合板结构的特性 2 1 1 三明治复合板结构及材质 一个典型的对称的三明治复合板结构由两边相同薄面板夹着一块厚的轻质 量的中间芯层组成，面板和芯材通常由粘结剂胶合在一起，如图2 1 所不： 曲板 中间层 而板 图2 1 三明治板材结构 面板通常是由高性能材料制作的，如钢、铝以及纤维复合材料，而中问层通 常是实体结构的泡沫材料，蜂窝型或轻质木村，目前在轨道车辆结构中使用较多 的是以铝合金或玻璃纤维塑料为面板，泡沫材料为中间层的三明治结构。其中常 用的泡沫材料有p v c 、p m i 、p e i 等。这种结构由于具有良好的强度特性，耐火性， 在高温下稳定的机械性能，以及优良的性价比，使得其被应用于越来越多的领域。 2 1 2 三明治复合板结构的强度特性 一般的大面积金属平板都是刚性的板梁组合结构，金属材质的薄板承载着丰 要的面内载荷，同时附j ：d n 崮肋板以提高刚度和稳定性，并提高该结构承受面内 载荷和垂直于板面载荷的能力，而三明治结构则无需加固肋板也可以获得较高的 刚性，如图2 2 所示。同时，三明治结构简化了组装工艺，使结构更加轻量化。 一鬻爹7 | 图2 2 有加崮肋板的刚性板结构与二明治板结构 三明治结构的良好刚度特性亦可由下面列出的三种同材质不同横断面的三 明治板的抗弯刚度比较予以说明： 8 第2 章二明治复合板结构的有限元分析研究 三明治板断面 西圈窿弱珂嗣盔端髓嬲固疆匿蜀圃 | a q e z 日口口t q e 一 k e “_ - 日_ _ _ 口_ 口j 日e 日日e 羽 l ，日口口_ 日h 4 删 l _ 口g b _ _ z e _ 。_ z 口e t g e 一 厚度 t 2 t 4 t 相对质鼙 l 1 l 相对抗弯刚度 3 7 图2 3 同材质不同厚度面板夹层结构的王明治效应( 中间层材料质量可忽略) 图2 3 表明，如果单一材质结构在横断面处一分为二，并在中i t l d i 入轻质量 的中间层的话，其抗弯刚度会显著增加，这种现象一般被称为“三明治效应”， 这也是三明治结构的主要优点之一。 当然，也有一些情况可导致三明治结构的失效，如面板的屈服、断裂失效及 中间层的剪切失效等。当三明治结构承受面内压力载荷而产生弯曲时，面板上的 弯曲点可导致结构失效。此外，局部载荷导致的面板和中间层的局部损坏，会使 面板弯曲变形或应力集中，从而可能导致局部或整体失效。但只要在设计中考虑 采取相应措施，这些情况是可以避免的。 1 ， 、j !；d ，7 n 讲 图2 4 声音在三明治结构中的传导情况 这种激发一辐射系统的波形主要是曲波，因为它有一个相对高速的并垂直于 结构表面的成分，并且有效地同周围环境相互作用，声音的衰减指数由射入能量 和射出能量计算而得：r = 1 0 1 9 ( p i p t ) 一般说来，重金属材料、低刚度和高结构阻尼的板才能产生最高可能性的声 9 第2 章二明泊复合板结构的有限元分析研究 音衰减指数。薄盒属板中，平面曲波速度与频率的相对关系为：c = 甜 # 。 v 【l v ) 通过这个公式可以看出如果速度降低，则刚度d 也随之降低，而面密度u 则需增 大。从机械学的观点来说，刚度降低而同时面密度增大是十分矛盾的。对于传统 单层金属板结构车辆来说，降低刚度来提高隔声效果明显是不i j 取的，而通过增 大面密度即增加结构质量来提高隔声效果显然又违背了车辆轻量化设计的原则。 而三明治结构与单层板结构不同，声波波速对其几何结构和使用材料的反应 较之质量和厚度更为灵敏。通过调整三明治面板与中间层的材料，选择机械，物 理特性差别不是很大的两种材料即可达到良好的隔卢效果【9 j 。 2 1 4 三明治复合板结构的其他特性 由于三明治复合板的中间芯层通常为泡沫材料，泡沫材料经常被用作灭火 隔热剂，所以这种结构往往具有较好的耐火性及隔热性。 2 2 三明治复合板有限元分析的问题 通过上文所述，三明治复合板的芯层由较轻的材料制成，如复合泡沫材料或 木材构成的等蜂窝材料，其作用是分离面板，以获得较大的抗弯曲惯性矩。而面 板通常由较大强度的硬质材料制成，如铝合金，复合材料等， 要承受由弯矩引 起的面内拉压应力和剪应力。这样的结构能够大大增强其抗弯刚度，但由于中间 芯层和面板的材料特性区别很大，这使得中阅层与面板所起的力学作用有较大差 异，产生的力学响应也不同，因此增加了大型结构分析的难度。 现代设计是以先进的分析技术为基础的，然而在我国，由于二三明治复合板结 构的新颖性及特殊性，对采用三明治复合板组成的复杂结构进行有限元分析带来 了困难。从实际结构角度出发，可以采用三维实体模型仿真，该方法精确度高， 能够较好地描述三明治结构的受力及各种响应情况。但问题是单无数量太多，自 由度过大，所以难以在般计算机上进行大中型复杂结构的分析。本文将基于力 学理论，提出了采用三种不同二维单元的三明治结构有限元分析方法，并以三维 单元建模方法为基准，对这三种方法进行分析比较，由此探索一种建摸较为简单 适合微机解题规模而又有工程所需精度的有效方法。 2 3 三明治复合板的几种分析方法探索 2 3 1 三维实体单元建模法 这是目前在各种通用有限元软件中都可以采用的根据三明治板的实际结构 特征建立有限元模型的一种较精确方法，其特点是夹层的中间芯材采用3 d 实体 i o 第2 章三明治复合扳结构的有限元分析研究 单元来仿真，而上下层面板则可根据面板实际情况采用3 d 实体单元或者2 d 板 壳单元仿真【l 。但一般面板都较芯材要薄得多，因而完全可采用二维板壳单元 来对面板建摸，从而能在一定程度上减少自由度，如下图所示。但即使面板采用 二维单元，对大型结构而言单元数量仍然太多，以至于因解题规模过大而无法在 一般计算机上求解。且这种模型不易与其他材质结构连接，所以并不适合大型结 构的有限元分析。 幽2 5 面板采用实体单元的3 d 模型 图26 面板采用板单元的3 d 模型 2 3 2 基于经典层合理论的建摸法 三明治夹层板结构类似于复合材料的层合结构，如图2 7 所示，层合板由多 层单板层压而成，而三明治扳只有三层，可以看成为层合板的特殊情况。所以层 合板结构的本构关系也近似等效于三明治结构。经典层合理论建立在小挠度板壳 理论之上，前提假设为：( 1 ) 各面的法线在板层变形时仍指向法向：( 2 ) 每单 层板为平面应力状态。即： g 。= s j + z 盯，i = l i ，2 2 ，3 3 ( 2 一1 ) 吗3 = 0 2 ，= 0 3 1 = 0 t 22 ) 其中e 。为应变，s ? 为参考面应变，x 。为曲率，z 为至参考面的距离。 z n7 ，。专_ 二二_ _ 、嬲面 z 1 z 1 7zi ， 一 了。j z7 火刚，j 。j 段z n - i z ， 幽2 7 层合板截面结构 式( 2 - - 1 ) 反映了应变分量与参考曲面的应变和曲率之间的关系，我们通常 巳生量_ = 2 墅鳓竺丝竺童墼生坌堑塑窒 刚瓣曼l c 2 沪， 其中：q 】2 石葡e l l ，蜴z2 i i 雨e 2 2 ，翻z = ( 1 一v 2 q t e ，b l 迅。) ，蜴，= ( i ： 而每单层的刚度矩阵为： 1 9 = 【7 1 】- 【q 7 r ( 2 4 ) f c o s 2 矽 s i n 2 02 c o s o s i n 臼、 其中： i t = f s i n 2 臼 c 。s 2 臼 _ 2 c 。s 矧n 臼j( 2 5 ) l - c o s o s i n 0c 。s o s i n 占c 。s 2 0 - s i n 20 7 1 】为从层合板至每单层板的应变转换矩阵，o 为铺层的角度。 基于式( 2 3 ) 的假设，侮一单层板的应力应变天系为： = 巩m ( 2 6 ) 即： 盯k = 百l 占。 + z 百l r ( 2 - - 7 ) 合力与合力矩： = 靠盯 如& m _ r 仃 砘( 2 - - 8 ) 将式( 2 7 ) 代入到卜式中去，可得： ) = 百 。 s 。) 出+ 百 。z r 出 2 酉 。z f 。净+ 百l z 2 r 出( 2 - - 。) 由于中性层的应变 扩 以及曲率 茁) 不是z 的函数，且每层板的刚度矩阵 互 。是常数，所以式( 2 9 ) 可化为以下表达式： ) = 善卧磊训+ j 1 噍陬z 2 。 吖 = ； s 。 荟n 蚕1 ( z 2 k - - z 2 k _ 1 ) + ；f 茁 喜 蚕l ( z 3 。一：3 。一：) t z 。， z k - - 一第k 层板至参考面的距离 通过以上两式，可得拉伸和弯曲冈度矩阵【4 】和【d 】，以及耦合矩阵【占】。 第2 章三孵治爱食扳结构的鸯戳嚣分析臻究 降喜匾瓴咚，) 俐= ；喜吼( z 3 z 3 - , ( 2 州) 陆专砉网。( z 2 k - - z 2 k _ 1 ) 由此可得朦舍板的属性，三明治板作为层合板的特殊情况，只需取n 为2 ，且三明 沧扳一般必对称夹层投，所懿耦会怒箨 翻为零羧骥。 普通朦合板相对较薄，且每层檄厚度相近，黼三明治板尤熊芯材很厚，且芯 层和面板厚度区别较大，所以该理论前提假设其为平面应力状态会使分析产生一 定误差。缎对予大型三明治稳俘来说，芯耪_ 摹度鞠瓣其跨度缀，j 、，援受薄投惹分 析产生的诶差不会大。避年来也出现了一些新豹激进理论，鲡三维厚层合稷避论 【1 2 1 ，使计算这种厚板烈加精确。而照这种方法因采用2 d 的板壳单元，较大地减 少了单元数量，也就大大降低了自由度数，从而极大地减小了计算量。所以避种 方法逶合予工程镁域豹分辑。嚣蓠译多饕名静有限元篱盈鞍薛魏： m s c n a s t r a n ，m s c m a r c 等都带有复合材料层合板分析模块，只需在分析 模块的界断里按照铺殿的顺序输入镪层材料的名称、厚度等材料特性参数即可。 ；莠鞋无霉褥编程枣霹霹蕊接馒震亵簸软昝透行分掇。虽然该攀元鼹予簧逶基会叛 的分析有散性是毫无异议的，但对其在厚度差剐较大三明治板的计算精度还需要 实践的骢诞。 2 3 。3 等效截面法 虽然三明治夹层板的结构较为特殊，但其截面结构处处相同，由此有学者提 出了考虑浆用等效截丽的方法( 1 3 j 。该分析模型如图2 8 所示，强板承受薄膜和 弯蘧露臻，嚣芯层只寄蒸菝葵耱戆糍力。逶霉芯瑟瓣骜凌接量委魄覆援豹，l 、诲多， 产生的剪切变形是显蔫的。因此可以给出夹层掇的本构关系： 拶 = 【e 】( p 卜z 茁 ) ( 2 1 2 ) 这令方程反映了液力分董o 与参考曲覆静瘦嶷移叠率k 之闻懿关系，瘤圈 可知，参考曲面离开横截面底面的距离为z o ，而z 则为由参考曲面开始的躐离。 1 3 第2 章三鲳渗笺食板缡稳匏蠢陵嚣分辑鹾宠 疆援芯屡参考馥面 【l ， j2 j j 7 寸r 一一一r | 鼍； 的对称部分，称为薄膜应力，合成的结果为薄麟力： 叫洲牛 沪渤 * = 廷阱 = f 捌( 疗。卜三 r 。渺( 2 - - 1 5 ) m = 一乒圈( 矽 - z 矽 ( 2 1 6 ) 2 篡瞄琏，；一z p ；净+ 2 l j 岛j ( e 一三 矿 泣+ l ：纛陵取矿 一z 矿 瓷 对于对称截面，有t l = 妒t ，【e l 】= 【瓿j = 【e f 】，t 2 = c ， f a m e d = f 。 2 r 巧 + c ( 巨】 吾 茁0 ( 2 腩 巧 + 拍【e 】) ( 1 2 口) ( 2 - - 1 8 ) 1 4 撼2 奉三骥浚复会板结梅熬商鼹嚣分辑镑襄 说，参带面即为中曲硒。 大墼霄羧元较梅中程娥予单元瓣牲对大多都露e q u i v a l e n ts e c t i o n 选磺1 1 3 j ， 露等效彀露选顼，分旃孵需要把承拦等效薄骥露蔻，弯蠡露鼷，蕊剪俸霹浆耪耱 特性参数输入程序中，即可等效出曼明治板结构的特性。方法魁简单而又方使的。 此外，用户也可根据以上本构关系囱己编写程序。 2 3 4 簿效材料法 三明治夹层板是豳不同的材料组合而成，避难是它难以计辣的原因所在，为 了方霰诗算，霹羧将葵等魏羹霜一辫葳耱鞲，通过诗雾窭这蚜囊嚣籽匏备礞弹 性参数，邵可等效黥兰髑治板的力学特性。这一嚣于阿g 度静材料力学分祈方法 磺 可以说媳一种比较简单而明确的方法。通过一蠛近似和假设，我们就可以计算出 等效秘瓣瓣耍个主方l 翅浆弹性参数。势了疆子说鼷，骰设三磷治夹层叛熬疆个嚣 板藩零季辩褥性一致。 ( 1 ) e 1 的确定 假设蕊板和芯材始纵内应变sl 谯横截面上敞。则面授鄹芯层豹应力为； 蟮| = e | t 零：= e 乒t ( 2 - - t 9 ) e f 和戡分别是面板和芯材的弹性模量。 3 恻2 91 方向受力的体积单元 彝鹫2 。窑囊暴，平鸯痘力识箨麓在横截瑟欷a 主，龟豫照在葱嚣酌横截蠢 积a 。上，a f 作用在磷檄横截面积a f 上，则作用猩体积单元：的