（光学工程专业论文）crh5动车组卧铺车体结构优化设计.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：高速铁路是一个国家铁路运输现代化的重要标志。c r h 5 型高速动车组具有 优良的高速运行品质，采用了轻量化高强度铝合金车体，大大减轻了车辆本身的 质量，为动车组的高速运行创造了条件。 本文以c r h 5 型动车组的m 2 s 车体为研究对象，对其进行了车体加高结构设 计，并对加高后车体进行结构强度和刚度分析，模态分析以及车体侧墙轻量化优 化，为我国高速动车组车体的设计提供参考。本文主要完成以下几个方面的工作： 1 、c r h 5 型动车组的m 2 s 车体进行结构加高设计； 2 、建立加高后的c r h 5 型动车组m 2 s 车体的有限元模型；建模过程中对车 体结构进行了适当的简化，并对焊接方式、附件质量进行了模拟处理。 3 、根据欧洲( ( e n l 2 6 6 3 ) ) 标准，对车体结构进行了1 0 种主要组合工况下的强 度分析，得出了应力和位移分布，并对结果进行了校核。最后总结了车体的应力 分布情况和车体结构的设计特点； 4 、对加高后的车体结构进行了模态计算分析，得到整车空载状态和整备状态 的前六阶振动频率和典型振型。空车状态和整备状态的一阶垂向弯曲频率均大于 1 0 h z ，满足规定要求； 5 、采用结构优化设计平台o p t i s t r u c t 对加高车体的侧墙结构进行轻量化优化 设计。建立了优化设计的数学模型，其中设计变量为加高后车体的侧墙截面尺寸， 目标函数为车体质量，约束条件为最大应力和位移。对优化前后的结果进行了分 析和总结，并使用a n s y s 对优化结果进行了校核。 本文的研究工作为高速列车车体结构设计和大型工程的结构优化问题提供了 一定的参考价值，也为优化设计在机车车辆中的深入研究打下了一定的基础。 关键字：车体；强度分析；模态分析；尺寸优化。 分类号：u 2 7 0 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：h i g h - s p e e dr a i l w a y i sa ni m p o r t a n ts y m b o lo fan a t i o n a lr a i lt r a n s p o r t m o d e r n i z a t i o n c r h 5h i g h - s p e e de m uh a se x c e l l e n tq u a l i t yo f h i g h - s p e e do p e r a t i o n ；i t u s e sal i g h t w e i g h th i g hs t r e n g t ha l u m i n u ma l l o yb o d y , g r e a t l yr e d u c i n gt h ew e i g h to f t h ev e h i c l ei t s e l f , w h i c hc r e a t e st h ec o n d i t i o n so fh i g h s p e e do p e r a t i o nf o rt h ee m u t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri sc r i - 1 5e m um 2 sv e h i c l eb o d y t h ed e s i g nf o r i n c r e a s i n gt h eh e i g h to fc a rb o d y , t h es t r u c t u r es t r e n g t ha n a l y s i s 、m o d a la n a l y s i sa n d s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni ss t u d i e di nt h i sp a p e r i tc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ev e h i c l e b o d yd e s i g no f t h eh i g h s p e e de m u t h i sp a p e rm a i n l yc o m p l e t e st h ef o l l o w i n gt a s k s ： 1 t h ed e s i g no fc r h 5e m u m 2 s t y p es t r u c t u r a lh e i g h t e n i n gv e h i c l eb o d y 2 b u i l tf em o d e lo fc r h 5e m um 2 s t y p es t r u c t u r a lw h i c hi sh e i g h t e n m o d e l i n gp r o c e s so ft h ev e h i c l eb o d ys t r u c t u r eh a sb e e ns i m p l i f i e d ，a n dt h i sp a p e rh a s m a d et h ea n a l o gp r o c e s s i n gf o rw e l d i n ga n da c c e s s o r i e sw e i g h t 3 a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d ( e n 12 6 6 3 ) ) ，s t r e n g t hf o rb o d ys h e l l10l o a dc a s e si s c a l c u l a t e d ，a n dv o nm i s e ss t r e s s e sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d ，t h e n s t r e n g t hi sv e r i f i e d c h a r a c t e r i s t i c so fb o d ys h e l l ss t r e s s e sd i s t r i b u t i o na n ds t r u c t u r e d e s i g n i n ga r es u m m a r i z e d 4 m o d e la n a l y s i so fc r h 5e m um 2 s - t y p es t r u c t u r a lw h i c hi sh e i g h t e n t h ef i r s t s i xb a n dv i b r a t i o nf r e q u e n c i e sa n dm o d e su n d e rb o t hn o l o a ds t a t ea n df u l ll o a ds t a t eo f t h ew h o l ev e h i c l ew e r eo b t a i n e di nt h em o d a la n a l y s i s t h ef i r s tb a n dv e r t i c a lb e n d i n g f r e q u e n c yi sg r e a t e rt h a n 10 h z ，w h i c hi s h i g h e r t h a nb o g i ef r e q u e n c yt oa v o i d r e s o n a n c eo ft h eb o d ys t r u c t u r ea n dt h eb o g i e 5 t h i sp a p e rm a k e so p t i m u ms t r u c t u r a ld e s i g nf o rs i d ew a l lo fv e h i c l eb o d yw i t h t h es o f t w a r eo fo p t i s t r u c t i nt h ep r o c e d u r eo fo p t i m i z a t i o n ，s i d ew a l ls e c t i o ns i z ea st h e d e s i g nv a r i a b l e ，t h ew e i g h to fv e h i c l eb o d yi ss e ta so b j e c t i v eo ft h i so p t i m i z a t i o n ； m a x i m u ms t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ta r es e ta sc o n s t r a i n t s f i n a l l y , t h eo p t i m u mr e s u l ti s v e r i f i e d t h i ss t u d yp r o v i d e sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rs t r u c t u r ea n a l y s i so fh i g h s p e e d v e h i c l ea n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no ft h eb i gs c a l ee n g i n e e r i n g ，a n da l s om a k e sc e r t a i n f o u n d a t i o nf o rd e e p l yr e s e a r c ho f r a i l w a yv e h i c l e so p t i m i z a t i o nd e s i g n k e yw o r d s ：v e h i c l e b o d y ；s t r e n g t ha n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s ；s i z eo p t i m i z a t i o n ； c l a s sn 0 ：u 2 7 0 2 v 致谢 本论文的工作是在我的导师吴作伟副教授的悉心指导和关心下完成的。在研 究生学习的两年时间里，吴老师给了我很大的帮助，他科学的工作方法和严谨的 治学态度对我影响很大，使我的专业理论知识和科研能力有了很大的提升，而且 使我懂得了很多为人处世的道理。论文完成过程中，导师始终对我悉心指导，给 予我热情的鼓励和支持。导师一丝不苟的工作态度、严谨细致的治学作风使我受 益终生。论文完成之际，谨向尊敬的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢实验室胡博同学、刘丹凤同学、张家雄师兄、张丹华师姐在软件学习和 论文课题的研究工作中给予的热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢在平时生活和学习中给予过我关心和帮助的同学们! 最后，感谢我的父母，没有他们对我的关爱，就没有我的今天，他们一直在 物质上和精神上给予我莫大的支持，使我能够专心完成学业。 感谢在百忙中评阅本论文的诸位专家。 再次向所有关心、支持和帮助过我的人表示衷心的感谢。 绪论 1 1论文的研究背景与意义 1 1 1研究背景 1 绪论 高速铁路是一个国家铁路运输现代化的重要标志。通过铁道部关于提升铁路 机车车辆装备水平的汇报，国务院提出“引进先进技术、联合设计生产、打造中 国品牌 的基本原则。根据这一原则，我国与德国、法国、日本等国家合作引进 动车组的设计、制造技术。国家明确重点扶持的主力工厂，确定引进少量原装、 部分国内散件组装、大批量国内组织生产的项目运作模式【lj 。通过引进、消化、吸 收及自主创新，实现了我国铁路动车组设计、制造业的现代化，提升了我国铁路 行业的总体水平及综合实力。2 0 0 7 年4 月1 8 日，我国铁路史上具有重大意义的第 六次大提速顺利完成，高速动车组丌始在我国运行，动车组时速达到了2 0 0 k m h ， 这标志着我国跨入了高速列车时代【2 j 。 2 0 0 8 年1 2 月2 1 同0 时，中国铁路开始实施新的列车运行图。这次调整的一 大亮点是增丌了卧铺动车组列车。这是中国铁路首次丌行卧铺动车组，它的丌行 彻底改变了中国铁路没有卧铺动车组的历史，并将开启铁路动车组上推出的“服 务超越航空 的服务提升计划。 高速动车组发展速度迅猛，我们一定要熟练掌握动车组的设计、制造技术， 并结合我国的实际情况和铁路状况，改进动车组结构，使之真j 下实现国产化。 2 0 世纪中期之后，高速、大容量电子数字计算机的广泛使用和一些精度高的 力学分析数值方法，如有限元的建立和应用，使得高精度高速度地完成复杂结构 的数值分析工作成为现实；各种优化算法的完善也为高速列车车体的设计提供了 可能。近年来许多大型有限元程序的开发和完善，为计算机数值分析提供了强有 力的支持，其中a n s y s 软件是一款功能强大的有限元通用软件，能够把有限元数 值分析技术和c a d 、c a e 、c a m 等图像处理有机的结合在一起，其前处理、求解 和后处理功能都十分强大。 a l t a i r h y p e r m e s h 作为杰出的有限元分析前后处理平台，拥有全面的c a d 和 c a e 求解器接口、强大的几何清理和网格划分功能，能够高效建立各种复杂模型 的有限元和有限差分模型。h y p e r w o r k s 内含的有限元分析和结构优化设计工具 o p t i s t r u c t ，能够进行拓扑优化、形貌优化、形状优化、尺寸优化以及自由尺寸和 北京交通人学硕士学位论文 自由形状优化。 1 1 2研究意义 本课题是对时速2 0 0 公里c r h 5 动车组卧铺车体的预研究。该课题的研究意 义有两层： 1 、现有的卧铺车厢内只有两层铺位，运输量较小，为了适应日益增长的铁路 运输量，提高运输效率，本课题在原有车体的基础上设计新的车体，使车内有三 层铺位，大大提高载客量。 2 、目前动车卧铺票价较贵，每日的售票情况并不理想，空车现象比较严重， 造成不小的资源浪费与经济损失。将部分车厢改为三层铺位，可以适当降低票价， 车厢可分为一、二等，对运营商的经济效益也是一种提高。 根据标准轨距铁路车辆限界和建筑限界中电力机车限界的要求来设计车体的 整体结构。应用大型有限元软件a n s y s ，对车体结构建立了详细的有限元模型， 并对其进行主要工况下的强度分析和校核，得到车体应力的分布情况，找出车体 结构薄弱的环节，以便今后对其结构进行改进。此外，仿真分析也对实际的试验 测量具有指导意义。 本文对c r h 5 动车组的m 2 s 车体进行静强度分析，得到组合工况下车体应力 的分布情况，找出容易破坏的部位，以便对其结构进行改进。 对车体进行模态分析，得出车体的自振频率和振型。车体的一阶垂向弯曲频 率应高于转向架的固有频率，从而避免与转向架发生共振。最后对车体进行轻量 化优化。 通过车体多种工况下的结构强度分析结果可以得知，车体结构强度具有一定 的富裕，车体结构具备优化的空间，因此对车体结构进行了优化。本文选择试验 设计方法探索设计空间和基于近似模型的优化算法进行优化，提高了优化效率， 并且为国产化高速列车车体设计设计提供了参考。 1 2列车车体结构研究现状 科学技术的进步促进了铁路高速化的发展。高速铁路的优点主要有：快速高 效、良好的社会效益；高安全系数：节约能源、利于环保。诸多世界先进国家铁 路高速化的成功经验中，重要的一点，就是高速铁路客车车体普遍采用新型车体 结构和轻量化材料制造。 2 绪论 目前高速列车的发展趋势具有以下特点： 1 ) 速度不断提高； 2 ) 车体结构和动力设备不断轻量化； 车体结构和部分机械零部件大量采用铝合金、大型挤压型材、蜂窝结构和高 分子复合材料等新材料新工艺，在保证强度的前提下大幅度减轻重量，如日本5 0 0 系列车轴重已降到1 l t 左右。减轻车体及设备重量一方面可以增加载荷量，另一方 面也可以降低线路维修费用。 3 ) 电力牵引传动系统向功率大、体积小、重量轻、高可靠性和低成本方向发 展。 4 ) 车内环境和设备不断改善，从而提高旅客乘坐舒适度和服务质量。 5 ) 将列车的安全防护系统通过网络通信技术与高速铁路的安全保障系统、列 车检修、运用系统构成统一的运营系统，实现列车运行及安全保障自动化，提高 列车使用效率，降低运营成本【引。 车体是列车的主要承载部件。高速列车在运行过程中，车体在把牵引力和制 动力传递给车钩的同时，还要承受各种设备载荷以及牵引力中水平纵向和横向冲 击载荷的作用力，因此车体必须具备足够的强度和刚度，满足相关技术标准的要 求，从而保i i e y u 车运行的平稳性和安全性【4 】。 c r i - 1 5 动车组是消化吸收阿尔斯通公司为芬兰国铁提供的s m 3 动车组技术并 经过再创新进行设计丌发的。该动车组为动力分散型8 辆编组电动车组，大流线型 车头，圆滑鼓形断面；采用新一代水冷i g b t 的牵引和辅助设备，使动车组功率大 幅度增加( 约6 9 ) ；采用t c m s ( 列车监控系统) 。c r h 5 动车组去掉了原形车 的倾摆系统，将二系悬挂由钢弹簧改为空气弹簧，每个转向架有2 套抗侧滚扭杆装 置；一系采用成熟的双拉杆式轴箱定位方式；装有二系垂向、横向和抗蛇形减震 器，可以使车辆获得较高的乘坐舒适性；车轮踏面采用x p 5 5 型车轮踏面。c r h 5 动车组牵引电机采用体悬式悬挂，大大降低了簧下和簧间质量【3 】。 目前，国际上列车车辆的车体材料主要有铝合金、不锈钢和高强度耐候钢。 普碳钢耐腐蚀性能差，耐候钢虽然可以延缓腐蚀，但不能完全防止腐蚀，更重要 的一点，这两种材料不能有效地减轻车辆自重，因此，不适宜作为制造高速客车 车体的材料。不锈钢具有优异的耐腐蚀性能，与普碳钢相比，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的问题，这些在很大程度上限制了不锈钢车辆的发展，因 此国内在近几年成批生产不锈钢车辆还有很大的难度。铝合金密度小，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 。由于轻量化，减 少了制动力和对轨道线路的静动载荷，使线路的维修周期和钢轨的使用寿命大大 北京交通大学硕士学位论文 延长，可降低维修费用和制造费用，延长大修期；由于铝合金材料挤压成形容易， 可使车体结构优化设计，大量减少7 n 造工时，可挤压出各种形状的断面，使各 部件厚度的分配更趋合理。在我国迅速发展的高速列车，其车体普遍采用铝合金 焊接结构。随着大型铝合金中空挤压型材的开发及焊接技术的不断改进，组装和 焊接件的数量逐渐减少，因而在我国铁道客车制造中得到了较为广泛的应用【5 1 。 1 3模态分析研究历史和现状 模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动 领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频 率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计 算或试验分析过程称为模态分析。振动模念是弹性结构固有的、整体的特性。如 果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内，各阶主要模 态的特性，就可能预知结构在此频段内，在外部或内部各种振源作用下实际振动 响应，而且一旦通过模态分析知道模态参数并给予验证，就可以把这些参数用于 设计或重设计过程，优化系统动态特性，或者研究把该结构连接到其他结构上时 所产生的影响。因此，模念分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法【6 】。 近十余年以来，模态分析的理论基础，已经由传统的线性位移实模态、复模 态理论发展到广义模态理论，并被进一步引入到非线性结构振动分析领域，同时 模态分析理论汲取了振动理论、信号分析、数据处理、数理统计以及自动控制的 相关理论，结合自身的发展规律，形成了一套独特的理论体系，创造了更加广泛 的应用前景。这一技术已经在航空、航天、造船、机械、建筑、交通运输和兵器 等工程领域得到广泛应用【7 】。 1 4结构优化设计综述 结构优化设计是近代科学发展的一门新技术，是由传统结构设计衍生而来的， 传统的结构设计是借助结构设计人员的经验以及基础的分析方法对结构进行初步 设计，之后再通过软件进行相对精确的校验；传统结构设计的弊端在于，设计人 员对于结构的改进完全是通过经验判断来进行的，而结构中重要的承载结构基本 上都是超静定的，所以仅仅通过对几个结构参数的改变引起结构内力的重新分布， 这时需要对结构重新分析和调整，反复此过程直到得出一个满足设计要求的方案 4 绪论 为止，这样的设计方式周期长，需要耗费大量的人力及物力，而且不能保证产品 的质量，对于大型复杂的结构设计，例如多学科多目标的结构设计问题，这种设 计方式显然是不可能实现的。随着计算机技术的飞速发展和数值计算方法以及有 一限单元法的广泛应用，优化设计将数学中的最优化理论和数值分析相结合，与此 同时，很多具备结构优化设计功能的大型商用软件应运而生，使得结构优化设计 工作可以在以有限单元法为基础的条件下结合数值分析高速度高精度的完成。所 以对于类似这种可能产生超出设计者经验的有效新型结构来说，结构优化设计将 是一种很有价值的工具。通过它设计者能将被动的分析、校核变为主动设计，能 更加合理地利用材料的性能，使结构内部各单元协调至最佳状态，并且安全度满 足规范要求，同时，还可以运用它为结构的整体性设计进行合理的方案决策。与 传统设计相比，用优化设计可以使工程造价降低5 3 0 。因此，结构优化设计 越来越广泛的应用于工程结构设计领域。 结构优化设计中涉及到许多关键性技术和理论，这对于结构优化设计的发展 和应用起到了十分重要的作用。归结起来，主要有以下几个方面：结构优化设计 的思想和理论；优化方法；建模技术；结构分析技术；结构重分析技术；灵敏度 分析技术；软件开发技术等一j 。 结构优化设计就是要在满足安全标准的情况下寻求相对经济的结构形式，对 拓扑、形貌、尺寸和形状等信息进行研究，从而进一步改进结构布局、材料选择、 构件尺寸、结构外形等。根据设计变量的类型不同，结构优化设计可以分为拓扑 优化、形状优化、形貌优化和尺寸优化。尺寸优化属于结构优化中较低的层次， 理论方法已较为成熟，目前已经很好的应用于工程领域，它是指给定结构类型、 几何外形、布局拓扑和材料的情况下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构更 加合理，更具经济性。相比较而言，形状优化和拓扑优化这类高层次优化问题， 还需要进一步的重点研究瞵j 。 1 5本文主要研究内容 本课题主要利用有限元分析软件a n s y s 、h y p e r m e s h ，以及优化集成平台 o p t i s t r u e t 等相关软件来进行。主要对设计出的时速2 0 0 公里动车组卧铺车体进行 多工况下得强度、刚度、模态等方面的分析计算，最后在此基础上进行结构轻量 化优化。本课题主要内容分为以下几个部分： l 、首先根据标准轨距铁路机车车辆限界( g b l 4 6 1 8 3 ) ，以及要在车体内部 建立三层卧铺要求来设计车体的断面结构。之后对车体各部位进行设计，要想在 5 北京交通大学硕十学位论文 原来车体内部的二层卧铺基础上改造成三层卧铺，就必须加高车体的高度，同时 又要满足上述标准中的限界要求。 2 、利用有限元分析软件建立车体有限元模型。根据c r h 5 型车的m 2 s 车体 结构的二维图纸，经过了加高设计并进行适当的简化后，建立了加高后车体的几 何模型；通过网格划分对几何模型进行了相应的单元离散，对焊接方式和附件质 量进行了模拟处理，并对车体进行了边界条件的约束，最终建立了车体结构的有 限元模型。 3 、对加高车体进行了1 0 种典型组合工况下的强度计算，并根据标准e n l 2 6 6 3 ： 2 0 0 0 铁路应用一铁路车辆车体结构要求的要求，对计算结果进行了强度和刚 度校核，并根据车体各工况下的受载特点，对计算结果中车体应力较大和应力集 中出现的原因进行了分析，从而了解车体的设计特点。 4 、对加高车体的空车状态和整备状态进行了自由模念分析，得出车体的前六 阶自振频率和振型。 5 、m o p t i s t r u c t 优化软件对加高车体侧墙进行基于离散变量的尺寸优化。对优 化结果进行了比较及总结。并选择了其他三种应力较大的工况对优化结果进行了 校核。 6 车体加高及有限元模型的建立 2 车体加高及有限元模型的建立 目前，针对时速2 0 0 公里的c r h 5 型动车组，现有的卧铺车厢内只有两层铺位， 运输量较小，并且动车卧铺票价较贵，每同的售票情况并不理想，空车现象比较 严重，造成不小的资源浪费与经济损失。为了适应日益增长的铁路运输量，提高 运输效率，在原有车体的基础上加高车体，使车内铺位变为3 层，大大提高载客量， 对运营商的经济效益也是一种提高。加高车体，首要考虑的是铁路限界。 2 1铁路限界 铁路限界由机车车辆限界( 简称“车限”) 和建筑限界( 简称“建限) 两 者共同组成，两者之间相互依存、相互制约。铁路限界的示意图如图2 1 所示，它 是铁路安全行车的基本保证，为了能够使机车车辆在一定范围的路网内通行畅通 无阻，不会因为机车、车辆的外形尺寸设计不当，货物装载的位置不当，或建筑 物、地面设备的位置不当而造成不安全的行车事故，必须使用限界分别对机车、 车辆和建筑物等地面设备的空l 日j 位置或空间尺寸加之约束。因此，限界是铁路各 业务部门都必须遵循的基础技术规程。限界制定的是否合理、先进，关系到铁路 运输总的经济效益。 铁路建筑限界与铁路机车车辆限界相适应，是机车车辆设计、制造、运用的 项基本技术依据，与列车的行车速度、牵引动力革新和列车质量的提高以及铁路 运输的经济效益密切相关。在允许的范围内最大限度地利用限界，进行机车车辆 的设计、制造和运用，从而获得尽可能大的经济效益【j 。 图2 1 铁路限界示意图 f i 9 2 - 1d i a g r a mo fr a i l w a yc l e a r a n c e 7 北京交通大学硕十学位论文 我国的机车车辆限界经过多次修改，目前实施的准轨机车车辆限界标准为 g b l 4 6 1 8 3 。机车车辆限界是一个和线路中心线垂直的极限横断面轮廓。机车、 车辆无论是重车或空车，无论是具有最大标准公差和磨耗限度的旧车或是具有最 大标准公差的新车，当其停放在水平直线上且在无侧向倾斜及偏移时，除电力机 车升起的受电弓外，其余所有部分都必须容纳在限界轮廓范围以内，不得超越。 在使用中由如把一个直角坐标系固定在极限图中，所有竖直高度均从轨面算起： 所有横向宽度均从垂线向两侧计算。若一辆车在某横截面处的总宽虽不超限，但 只要某侧半宽超限即为超刚。 m 2 s l s - 铺动车组加高设计不能超限，要加高车体的高度，在车体的下方已经没 有多余的空间，因此底架结构保持不变，只能在车体的上方加高，加高侧墙、端 墙。根据g b l 4 6 1 8 3 ，其上部限界示于图2 2 。 - - 一机事车辆跟羿基本轮廓 一电气化锾珞予线上运用的电力钒车 - 一列事信号装i 限界轮赢 电力机车在奄辘面高姗一1 2 5 0 毫米施曝内为1 6 7 5 毫米 图2 2 机车车辆上部限界 f i 9 2 - 2t h et o pc l e a r a n c eo f l o c o m o t i v ev e h i c l e s 车体加高及有限元模型的建立 2 2c r h 5 车体结构简介 2 0 0 7 年3 月3 0 日，首y j j 2 0 0k m h 动车组c r h 5 在北车集团长客股份公司整列编 组下线。该车是4 月1 8 日开始施行的中国铁路第六次提速的主型车之一。该车型采 用动力分布式设计，以同厂的p e n d o l i n o 宽体摆式列车为基础，大流线型车头，圆 滑鼓形断面车体，以芬兰铁路的s m 3 动车组为原型。该动车组为动力分散型8 辆编 组电动车组，大流线型车头，圆滑鼓形断面；采用新一代水冷i g b t 的牵引和辅助 设备，使动车组功率大幅度增加( 约6 9 ) ；采用t c m s ( 列车监控系统) ，运营 速度2 0 0 k m h ，最高试验速度2 5 0 k m h 。c r h 5 动车组去掉了原形车的倾摆系统，将 二系悬挂由钢弹簧改为空气弹簧，每个转向架有2 套抗侧滚扭杆装置；一系采用成 熟的双拉杆式轴箱定位方式；装有二系垂向、横向和抗蛇形减震器，可以使车辆 获得较高的乘坐舒适性；车轮踏面采用x p 5 5 型车轮踏面。c r h 5 动车组牵引电机采 用体悬式悬挂，大大降低了簧下和簧问质量。该车辆的高速运行品质十分优良， 乘坐舒适性很好【1 1 | 。车体结构如图2 3 、图2 4 示。 图2 - 3c r h 5 型结构图 f i 9 2 - 3t h es t r u c t u r eo fc r h 5v e h i c l eb o d y 9 北京交通人学硕士学位论文 一 f i 薛- 4s e c t i o n “e wo fc r h 5v e h i c l eb o d y 2 2 1 c r h 5 车体主要参数 车体结构： 最高运营速度( k m h ) ： 编组长度及重量： 头车车辆长度( m m ) ： 中间车辆长度( m m ) ： 车辆宽度( m m ) ： 车辆高度( m m ) ： 车辆定距( r a m ) ： 中间车辆重量( k g ) ： 2 2 2 车体结构主要组成部分 大型中空铝合金挤压型材焊接结构 2 5 0 2 1 1 5 m ，4 5 i t 2 7 6 0 2 5 0 3 2 0 0 4 2 7 0 1 9 0 0 0 8 5 0 0 c r h 5 车体结构主要由车顶、底架、侧墙、内端墙、外端墙等五大模块组成。 如图2 - 5 所示。 1 0 车体加高及有限元模型的建立 ! 一| 纛鬻鞠 。j t 露囊攀溺 图2 5c r h 5 车体结构图 f i 萨- 5g e o m e t r ym o d e lo fc r h 5v e h i c l eb o d y 1 ) 车顶 车顶由纵向放置的4 种、共7 块挤压型材对称排列、组焊而成。型材材质为 6 0 0 5 a t 6 ，厚度为5 0 m m ，蒙皮厚度为2 8 m m ，内筋厚度为2 5 m m 。车顶外部丌了4 排t 型槽，内部开了4 排滑槽，用于内装及设备的安装。图2 6 为车顶截面图。 图2 - 6 车顶截面图 f i 9 2 - 6s e c t i o nv i e wo ft h ev e h i c l er o o f 中间型材与车顶边梁的连接采用插接形式，插接的可调量为2 0 m m ，焊接形式 为角焊；中间型材互相之间通过插口对接起来。通过中间型材与车顶边梁间的调 整量满足焊接收缩量，如图2 7 、图2 8 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图2 7 中间型材与车项边梁的连接方式 f i 9 2 - 6t h ec o n n e c t i o nw a y sb e t w e e n e d g eb e a ma n dm i d d l es e c t i o n 图2 8 中间型材之间的连接方式 f i 9 2 7t h ec o n n e c t i o nw a y sb e t w e e n m i d d l es e c t i o n a lm a t e r i a l s 2 ) 底架 底架由端部缓冲梁、枕梁和刚性支座、脚蹬、焊接构架、底架焊接件等组成。 为了尽可能减少焊接形式的存在，可以通过底架下部型材设置的t 型槽来吊装底架 下部的设备。由于底架牵枕缓是很重要的承载部件，选用高强度材料6 0 8 2 t 6 铝合 金。如图2 9 、图2 1 0 示。 图2 - 9 底架截面图 f i 9 2 - 9s e c t i o nv i e wo ft h eu n d e r - f r a m e 图2 1 0 底架型材的连接方式 f i 9 2 - 1 0c o n n e c t i o nm o d eb e t w e e ns e c t i o n a lm a t e r i a l so ft h eu n d e r - f r a m e 3 ) 侧墙 纵向放置的4 种挤压铝型材组成了车体的侧墙，其材质选用6 0 0 5 a t 6 ，厚度为 5 0m 1 1 1 ，蒙皮厚度为2 8 m m ，内筋厚度为2 5 m m ，侧墙上开有1 0 扇窗户。为了解决 焊接收缩问题，每块型材的公差为( 1 ，+ 3 ) ，侧墙组成后公差控制在( o ，+ 6 ) 。 车体加高及有限元模型的建立 型材由上到下开有3 排t 型槽，用来安装防寒及内饰件。图2 1l 所示为侧墙的截面 图。 图2 1 l 侧墙截面图 f i 9 2 - 11s e c t i o nv i e wo ft h es i d e w a l l 4 ) 内、外端墙 内端墙设置在车门附近，焊接在车顶横梁下，与车顶的横梁、纵梁一起组成加 强结构，主要是为提高车体强度及纵向和抗扭刚度，材料为6 0 8 2 t 6 。内端墙由门 柱、墙板、连接件组成。 外端墙的选材型材与内端墙一致，也为6 0 8 2 t 6 。 综上所述，c r h 5 动车组的车体结构具有以下特点： 1 ) 车体结构采用铝合金双壳结构，大幅度减少了零件数量，而且其刚性高， 降噪效果好，乘车舒适性好； 2 ) 车体质量比钢制车体轻，大幅减轻轴重，从而降低了运营成本； 3 ) 型材之间采用插接形式，有可调量，能够保证车体的总体尺寸； 4 ) 增加了内端墙，提高了车体的整体强度、刚度尤其是纵向和抗扭刚度； 5 ) 在强度薄弱环节和重要部位采用了强度更高的材料或增加型材厚度来弥 补。 2 2 3车体结构材料属性 c r h 5 车体的材料以6 0 0 0 系铝合金( 6 0 0 5 a t 6 和6 0 8 2 t 6 ) 为主，为 a 1 m g s i c u 系合金。6 0 0 0 系铝合金属于中强度合金，压力成型性、焊接性能和 抗腐蚀性能都非常好，并且无应力腐蚀倾向。t ，表示可作热处理强化，淬火后 北京交通人学硕十学位论文 具有良好的机械性能；挤压性能较5 0 0 0 系而言更加优良，如果需要，经热处理可 达到很高的强度；但在焊缝区，强度有所降低。车体的材料及属性说明见表2 1 。 表2 1 车体结构所用材料及其性能 使脂部弹性模 许崩应力( m p a ) 材料泊松比 位 量( g p a )非焊缝区焊缝区 厚度： 车体断厚度：t 5 m m 2 1 51 4 0 6 0 0 5 a t 6t 5 m m 面 5 t 1 52 0 0 5 t 1 51 3 0 底架下 7 0o 3t 62 6 0t 61 6 9 6 0 8 2 t 6 部6 t 1 2 52 5 5 6 t 1 2 51 6 5 t 62 6 0t 61 6 9 6 0 8 2 t 6 端墙 6 t 1 2 52 5 56 t 1 2 51 6 5 2 3车体加高结构设计 2 3 1设计原则 动车组设计的总方针是保证使用、方便检修、兼顾制造、注意美观和舒适等。 车体结构设计的基本原则及要求如下： 1 、设计应当满足对机车车辆所提出的基本要求，这些要求包括：必须保证车 辆具有合理的技术经济参数、车辆与线路互相作用的条件、运行的安全性、结构 的运用可靠性和耐久性。此外，还应考虑车辆限界、允许轴重、车钩纵向中心线 距轨面的高度等等因素。 2 、保证具有足够的强度和刚度 随着动车组运行速度的不断提高，必须更加注意车体结构的强度和刚度，保 证运行的安全性。作为高速运行的结构物，车体在运行中承受纵向、垂向、横向、 扭转和气密载荷等动态载荷的作用，这些准静态及动态载荷的单独或联合作用， 需校核车体结构的强度和刚度。 3 、具有合理的使用寿命 要求新造车的车体结构抗腐蚀能力要大大提高，以便经过大修后使用寿命达 到2 5 3 0 a 。 4 、要贯彻一切通过试验的原则；注意标准化、系列化合同国内规划，考虑成 1 4 车体加高及有限元模型的建立 批生产的可能性；学习和借鉴国外的先进技术和经验同创新相结合。 5 、轻量化的要求 在保证安全和使用寿命的前提下，尽量做到结构的轻量化：车体结构所占车 辆自重的比例很大，故设计时尤其应注意减轻自重。 6 、具有良好的结构工艺性 ( 1 ) 尽量采用部件组装和焊接结构，以适应大批量生产、提高效率的要求。 各个分部件的设计要考虑车体结构总装时的工艺性，各个分部件之间的结合面要 有定位点并便于控制公差。 ( 2 ) 在不影响结构强度、使用性能与美观的情况下，尽可能使所设计的结构 几何形状简单、对称。 ( 3 ) 注意焊接形式，提高焊缝质量。避免焊缝局部堆积，不同厚度或不同宽 度的材料对接时，接头处要平缓过渡。 7 、积极慎重地采用新技术、新工艺、新材料。 车辆高度方向尺寸的确定原则： 1 ) 车辆地板面高度的确定 通常，动车组车辆地板面应与站台高度基本一致，这是为了方便旅客上下车。 车钩连挂后为了安全可靠，列车中各辆车的钩高应基本一致。各国因其历史原因 形成不同的钩高，c r h 系列动车组的车钩高约1 0 0 0 m m ，这是保证正常传递力及 动车组运行时不会发生脱钩事故所必需的。车钩缓冲装置装在底架中梁前端的牵 引梁内，同时底架又放置在两台转向架上，故车钩高及转向架空气弹簧上表面高“ 度也成为控制地板面高度的一个因素。转向架空气弹簧上表面距轨面的高度并非 标准值，它既与轮径有关，更与结构有关。 2 ) 车辆上部高度的确定 客车内部希望有较高的净空，因此车顶必须有一个合适的高度。高速机车车 辆限界中的高车限1 a 提供了顶部轮廓，它自轨面3 8 5 0 m m 高度开始横方向收小， 用了四段折线连接到顶部1 5 0 0 m m 宽的水平线上。对高速动车组为减小空气阻力 等原因应适当降低车顶高度【3 】。 2 3 2设计方案 结合上述原则和要求，并根据机车车辆限界设计了c r h 5 型的m 2 s 车体加高 后的截面图，如图2 1 2 所示。其中底架部位保持不变，侧墙在原有的4 块型材的 基础上新增加了一块型材，这样导致车项出现了错位现象，因此将车顶的最中间 部位的型材宽度做了减小处理。原来的车体车顶( 除导流罩外) 距轨面高度为 1 5 北京交通人学硕士学位论文 3 7 7 0 m m ，加高后的车体车顶( 除导流罩外) 距轨面高度为4 2 7 0 m m ，高度增加了 5 0 0 伽n 。因此满足机车车辆限界的要求。内外端墙、车顶的加强筋及盖板，根掘 车体断面形状的变化，也做了相应的加高或加宽处理。 图2 一1 3 是车体加高前后的截面的有限元模型对比。 图2 1 2 加高车体的截面图 f i 9 2 - 1 2s e c t i o nv i e wo f t h eh i g h e rv e h i c l eb o d y 1 6 车体加高及有限元模型的建立 图2 1 3 车体加高前后的截面对比 f i 9 2 - 13c o m p a r e db e f o r ea n da f t e rt h es e c t i o no ft h eb o d yh e i g h t e n i n g 2 4车体模型的简化及模拟处理 2 4 1车体模型的简化 有限元分析过程中，针对的对象是有限元模型，它有别于几何模型，同时又 来源于几何模型。几何模型描述的是一个结构的几何尺寸形状、几何参数和其零 部件组成，而有限元模型则反映出了该物体的材料属性和结构件间的力学特性和 传递关系。有限元模型的表现形式是以节点和单元为对象，通过材料属性、边界 条件、载荷等的附属，对力学关系进行描述。所以，有限元分析的关键在于其有 限元模型的合理建立。 建立有限元模型的过程中，如果过于细致地描述一些细小的结构，势必会增 大建模的难度，同时会增加节点和单元的数量，不利于网格的生成，甚至会加剧 有限元模型的单元尺寸变化，对计算精度产生影响。有限元分析是对工程结构的 近似模拟，只要计算结果满足误差范围，就达到了模拟的效果。因此在尽可能如 实地反映车体结构主要力学特性，同时又保证计算准确性的前提下，尽量简化车 体结构的几何模型，缩小计算规模。 以忠实主要的力学特性为前提，要求每个单元与实际结构之间的几何类型和 单元传递的力学特性都相一致，这就是简化的原则。简化的程度主要取决于分析 1 7 北京交通大学硕士学位论文 目的。本文旨在分析车体强度、刚度和模态，具体简化情况如下： 1 ) 应尽可能保持总体坐标系的建立与车体结构设计坐标系一致，便于建模。 2 ) 车体截面形状的简化。考虑到该车体为铝合金挤压型材焊接而成，各型材 均为3 m m 左右的薄板组成，为了确保计算的精度，采用壳单元s h e l l 6 3 来模拟， 在离散结构时对s h e l l 6 3 定义相应的厚度。 3 ) 对于那些专为结构和使用要求而设置的构件，因其对整车结构的应力分布 和变形影响很小，可忽略不计。 4 ) 构件表面平顺化。构件表面上的孔、凹部、翻边和台肩等尽量酌情予以圆 整光顺。 5 ) 简化细小的倒角和圆角。车体的尺寸很大，有些因制造工艺原因而增加的 倒角和圆角，对结构的强度并没有多大影响，建模过程中又不利于网格的划分， 处于偏安全性考虑，将其简化成直角形式。 6 ) 简化交叉点和临近节点。若两交叉连接点靠得很近而又不重合，则可考虑 简化为一个节点进行处理。 c r h 5 车体结构沿纵向轴两边基本对称，出于减少计算量并提高计算精度和 效率的考虑，采用车体纵向二分之一建立几何模型。建好的加高车体几何模型如 下图2 1 4 。 图2 1 4 加高车体的几何模型 f i 9 2 1 4g e o m e ：h ym o d e lo f