铝合金地体车体轻量化设计研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 4.12MB 59 页 15积分
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摘 要
本文从铁道车辆轻量化角度出发，对我国的轨道交通发展趋势，国内、外的
铝合金车体发展状况及国内、外在车体轻量化设计所做的努力做了概述，并叙述
了当前的铝合金车体设计选材和设计结构，铝合金是当前车体轻量化设计的主导
材料，采用大型中空铝型材是铝合金车体设计首选的零件结构。
本文研究的主要对象是广州地铁铝合金车体，对整个车体结构进行离散，有
限元网格划分，建立其力学模型。按 JIS 标准对垂直载荷工况，超常垂向工况，车
端压缩组合工况，扭转工况 4种工况进行模拟加载，计算出车体在这 4工况下的
静力学结果，同时对车体进行了模态分析，其强度、刚度满足设计要求，而且有
良好的动态特性。
以车体轻量化的目的出发，对车体实验进行了简单的叙述，对车体测量点的
实验数据、有限元分析计算数据及材料的许用应力进行了统计，并在同一坐标下
进行比较分析，得出本车体在设计上还有很大的强度富裕空间，可以对车体进行
进一步轻量化改进。同时得出有限元分析计算数据基本和实验数据相吻合，本模
型是可用的，通过本模型模拟计算出的结果是可信的。
通过分析选定车体优化模型的目标函数、设计变量，约束条件及计算工况，
对车体模型进行尺寸优化，得出优化计算结果，车体重量减轻了 12.5%。同时对车
体优化后的结果进行强度、刚度计算验证，及对车体优化前、后在多种工况条件
下的强度、刚度和模态进行对比分析。
关键词: 铝合金 车体 强度 模态 轻量化
ABSTRACT
This paper begins with the weight-reduction of railway vehicles, summarized the
development trend of domestic railway transportation, current aluminum carbody
development status and efforts done on carbody weight-reduction in domestic and
foreign market. The present design material selection and structure of aluminum
carbody are also introduced. Aluminum is the main leading material used in current
carbody weight-reduction design, and large-sized hollow aluminum profiles are
preferably used for parts structure of aluminum carbody design.
The main research object is the aluminum carbody for Guangzhou Metro. The whole
carbody structure is scattered divided into FE mesh, and its mechanical model is set up.
According to JIS standard, 4 load cases e.g. vertical load case, supernormal vertical load
case, end compression combination load case and twist load case are simulated onto the
model. The statics results in under these 4 load cases are calculated accordingly. Mode
analysis has been done on the carbody, and its strength & stiffness both meet the design
requirement with good dynamic features.
For the purpose of carbody weight-reduction, the carbody tests are briefly introduced
made statistic records for the test values on carbody measurement points, FEA
calculation data and allowed stresses. Then it is compared and analyzed the results
under the same coordinate. Finally, it is concluded that the carbody still has big strength
redundancy in design so that the carbody can be further improved with weight-reduction.
It is also concluded that the FEA calculation data are coincident with the test results, the
model is usable and the results calculated from this model are authentic.
Through analysis of the objective function, design variables, restrictive conditions and
calculated load cases on the selected carbody model for optimization, dimensions are
optimized in the carbody model, and the optimization result shows the carbody weight
is reduced by 12.5%. The results after carbody optimization are validated on strength &
stiffness calculation. The carbody strength, stiffness and mode under various load cases
before and after optimization are compared and analyzed.
Key Words: Aluminum, Carbody, Strength, Mode, Weight-reduction
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题研究背景 ...................................................................................................... 1
§1.2 国内、外发展状况 .............................................................................................. 2
§1.2.1 我国城市轨道交通的发展 ...........................................................................2
§1.2.2 国内、外铝合金车体的发展 .......................................................................3
§1.3 研究内容和意义 .................................................................................................. 8
§1.4 论文结构 .............................................................................................................. 8
第二章 车体结构有限元分析的基础理论 ...................................................................10
§2.1 有限元单元法 .................................................................................................... 10
§2.2 强度理论 ............................................................................................................ 13
§2.3 自由模态理论 .................................................................................................... 15
§2.4 本章小结 ............................................................................................................ 16
第三章 铝合金地铁车体结构及力学模型 ...................................................................18
§3.1 铝合金地铁车体设计 ........................................................................................ 18
§3.1.1 设计选材介绍 .............................................................................................18
§3.1.2 铝合金地铁车体的设计结构 .....................................................................19
§3.2 有限元建模概述 .................................................................................................20
§3.3 本车体的力学模型 ............................................................................................ 22
§3.3.1 三维 CAD 模型 .......................................................................................... 22
§3.3.2 车体有限元力学模型 .................................................................................23
§3.4 本章小结 ............................................................................................................ 25
第四章 车体结构力学分析及试验 ...............................................................................26
§4.1 有限元模型及基本参数 .................................................................................... 26
§4.2 静力学载荷及工况设定 .................................................................................... 27
§4.2.1 载荷处理 .....................................................................................................27
§4.2.2 工况设定说明 .............................................................................................27
§4.3 静力学计算结果 ................................................................................................ 28
§4.3.1 垂直载荷工况 .............................................................................................29
§4.3.2 超常垂向工况 AW3 ...................................................................................30
§4.3.3 车端压缩组合工况 .....................................................................................31
II
§4.3.4 扭转工况 .....................................................................................................32
§4.4 模态分析 ............................................................................................................ 33
§4.4.1 模态分析前处理 .........................................................................................33
§4.4.2 模态分析结果 .............................................................................................33
§4.5 静强度试验 ........................................................................................................ 35
§4.6 数据对比及可轻量化性分析 ............................................................................ 37
§4.7 本章小结 ............................................................................................................ 40
第五章 车体轻量化设计 ...............................................................................................41
§5.1 概述 .................................................................................................................... 41
§5.2 车体的尺寸优化模型 ........................................................................................ 42
§5.2.1 目标函数的选择 .........................................................................................43
§5.2.2 设计变量选择 .............................................................................................43
§5.2.3 约束条件 .....................................................................................................44
§5.2.4 优化的计算工况 .........................................................................................45
§5.3 优化计算结果 .................................................................................................... 45
§5.3.1 设计变量结果 .............................................................................................45
§5.3.2 目标函数的结果 .........................................................................................47
§5.4 优化前、后对比分析 ........................................................................................ 47
§5.4.1 静力学对比分析 .........................................................................................47
§5.4.2 模态对比分析 .............................................................................................49
§5.5 本章小结 ............................................................................................................ 50
第六章 总结与展望 .......................................................................................................51
§6.1 论文总结 ............................................................................................................ 51
§6.2 研究展望 ............................................................................................................ 51
参考文献 .........................................................................................................................53
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................57
致 谢 ...............................................................................................................................59
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景
随着世界经济的迅速发展，城市的规模、人口不断扩大，城市交通问题日益
突出。解决城市的交通问题，除传统的地面道路交通外，还要大力发展城市快速
轨道交通系统。城市轨道交通的类型一般可以分为城市有轨电车、城市轻轨、地
下铁道及磁悬浮列车等，一个城市可以根据需要发展一种轨道交通，或者几种轨
道交通相互配合，主要是根据城市的规模、客运量的需求、环境特点以及城市布
局来选定。城市轨道交通具有运行速度快、客运量大、舒适性高、对环境污染小、
能源利用好、能够迅速疏散乘客、不易阻塞等特点。随着城市化进程的不断加快，
交通阻塞、乘车难、行路难已成为制约城市发展的重要因素。因此，城市轨道交
通日益备受世人的关注[1]。
近年来，随着改革开放政策的贯彻执行，以及经济建设世纪目标的实现，我
国国民经济得到了蓬勃发展，经济的发展将会伴随更大的都市化，促进了城市的
建立和发展，2000 年，城市人口已达到 4亿6千万。目前，我国约有 40 个城市归
类为大城市，人口超过 100 万，其中 8个城市人口超过 300 万。由于城市经济区
域布局的变化以及大城市的聚集和辐射效应越来越强烈，城市流动人口大为增加，
居民出行更为频繁，城市交通需求的矛盾也就越来越突出。同时，随着工业化进
程和经济建设步伐的加快，人们的工作节奏也越来越快，时间观念越来越强。因
此，需要准时、安全、快捷的交通方式来满足人们的出行需要。发展城市轨道交
通可以从根本上解决城市交通问题，也符合我国城市交通可持续发展的战略需求。
在我国，由于经济建设的蓬勃发展，各种运输量增加很快，特别是市内客流
量成倍或成几十倍的增长，加上城市基础设施建设相对滞后，导致公共交通问题
越来越突出，严重的影响了经济建设的进程。另外，由于城市内部建筑物密度大，
特别是老城区，各种建筑物、构造物比比皆是，城市里的剩余空间越来越小，旧
城改建十分困难。因此，发展地下铁道及轻轨交通越来越受到人们的重视[2~3]。
轻量化是国、内外铁道客运车辆设计的一个共同趋势。轻量化设计不仅仅是
所选材料的强度级别问题，更多的是材料属性与负载、几何结构、制造工艺以及
成本的相互作用[4]。所谓车辆轻量化，就是在保证车辆运营安全、旅客乘车舒适，
以及在保证车辆所要求的强度、刚度的前提下，尽可能地减轻车体结构的重量。
降低车辆自重的主要手段，就是要实现车辆的轻量化设计，而车辆的轻量化
铝合金地铁车体轻量化设计研究
2
主要是车体的轻量化。铁道车辆的轻量化设计开始于第二次世界大战以前，主要
是以内燃动车为中心发展起来的。由于当时内燃动力因功率所限，要求减辆自重。
在客车方面，欧洲就比较重视轻量化设计，早在三十年代就始于瑞士。在战前这
个阶段里，轻量化车辆的结构材料多数是采用普通碳钢，欧洲国家主要是通过结
构合理化达到减轻重量的目的，美国主要是采用铝合金和不锈钢材料，设计出适
合于这些材质的车体结构。日本国营铁路战前也有过像那样的轻量化内燃动车，
但真正的轻量化车辆的设计是从战后才开始的。自 1955 年制造了ナハ 10 型钢制
轻量客车后，日本客车才以此为基础开始了轻量化设计。六十年代中期，日本东
海道新干线钢制高速轻量动车出现以后，由于发展高速列车的需要，车辆轻量化
在一些国家又取得了新的成果，车体自重普遍降低，每米重量最多为 0.37 吨/米，
最少为 0.194 吨/米，一般为 0.25 吨/米左右，比六十年代的 0.5~0.6 吨/米降低 50%
左右[5~6]。
铝合金重量轻，比强度高、耐腐蚀性能和成形加工性能好。采用铝合金制造
城市轨道车辆，具有耐腐蚀和轻量化的优点。和钢制车辆相比，可减重 1/3 左右，
可大量节省动力费；同时，铝合金挤压成形方便，可大量减少制造工时和维修工
作量。虽然用铝合金制造车辆在材料、加工成本上比钢高一些，但可在较短的时
间内通过运营费用的降低和使用年限的延长得以补偿。另外，铝是地球上储量丰
富的金属之一。以铝为基材，加入不同形式的强化金属，再通过不同的强化方式，
可以获得不同用途的铝合金。在铝合金车辆上，根据不同部位的使用要求、综合
强度、制造工艺、耐腐蚀等方面的要求，选择不同的铝合金材料。同其它车辆用
材比较，在轨道车辆上采用铝合金材料具有广阔的前景[7]。
§1.2 国内、外发展状况
§1.2.1 我国城市轨道交通的发展
1908 年3月5日，上海第一条有轨电车路线正式通车营业，长 6 km。在随后
的年代里，我国的北京、天津、沈阳、哈尔滨、长春、鞍山等城市相继修建了有
轨电车，在当时我国城市的公共交通中发挥了骨干作用。
从20 世纪 50 年代，我国开始筹备地铁建设，首先规划了北京地铁网络。20
世纪 60 年代，北京开始修建我国首条地铁线路，
1969 年1号线通车，全长 23.6km。
其后，天津市于 1984 年建成 7.4 km 长的地铁线路。20 世纪 80 年代末至 90 年代
初，由于城市规模限制及道路等基础设施比较薄弱，北京、上海、广州等特大城
市的交通问题非常突出。以上海轨道交通 1号线(21km)、北京地铁复八线(13.6km)
摘要：

摘要本文从铁道车辆轻量化角度出发，对我国的轨道交通发展趋势，国内、外的铝合金车体发展状况及国内、外在车体轻量化设计所做的努力做了概述，并叙述了当前的铝合金车体设计选材和设计结构，铝合金是当前车体轻量化设计的主导材料，采用大型中空铝型材是铝合金车体设计首选的零件结构。本文研究的主要对象是广州地铁铝合金车体，对整个车体结构进行离散，有限元网格划分，建立其力学模型。按JIS标准对垂直载荷工况，超常垂向工况，车端压缩组合工况，扭转工况4种工况进行模拟加载，计算出车体在这4工况下的静力学结果，同时对车体进行了模态分析，其强度、刚度满足设计要求，而且有良好的动态特性。以车体轻量化的目的出发，对车体实验进行...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：59 页 大小：4.12MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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