铰接式高速客车车体结构轻量化设计研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第J9卷第6期上海铁道大学学报Vdl9．No6塑芏．l些堡!§坠!堡塑!E堕：：!墅一L／铰接式高速客车车体结构轻量化设计研究V墨垮拴堡兰赵焕明赵洪伦

2、、io(JZ海铁道大学机械工程系，上海2~331)摘要借鉴法国TGV高速客车在丰体厦其承栽结精方面的成功设计经验，采用有限元分析技术，通过承栽结构的应力合理分布和板梁足寸的适当选择．对铰接式高速客车车体姑椅进行了轾量化设计研究。关键词查堡堕查型圭，筵塑圭焦-'仕苎堡苎，量量盟t有限元分析分类号啦702在高速铁路技术研究中，高速列车研究作为其中一项关键技术占有

3、举足轻重的地位，而高速客车车体的研究是其中不可缺少的一个重要组成部分。列车在高速运行时，为了减少急刚增大的轮轨作用力和能量消耗，同时满足高速下动力学性能的要求，应尽可能地减轻车体的自重。然而，由于在高速运行中，客车车体所承受的垂向、横向以及扭转载荷的作用比普通客车大得多，因此在保证足够的承载能力的前提下，减轻自重，就必须依靠优化的结构设计，以便在各种工况下，合理布置粱件位置，保证结构具有足够的整体承载能力，并且还应使构件的材料得到充分利用。此外还应考虑工艺要求，以保证上述原则的实现。法国TC．V铰接式列车是目前世界上最先进的高速列车模式之一，对我国高速铁

4、路前期研究工作具有重要的参考价值。本文借鉴了法国1℃V铰接式列车先进的车体承载结构设计，结台国内制造工艺水平及材料采用耐候钢的实际情况，运用先进的有限元分析技术，对高速客车车体结构进行轻量化的初步研究，旨在为我国高速客车车体研究提供设计依据。1铰接式高速客车车体结构11车体结构主要参数车辆连接长度为l8700mm，车体长度(外端墙纵向距)为17384mm，车体最大宽度为3020mm，车顶中部距轨面高为3590mrrl，转向架中心距为18700rrIrrI，地板面至轨面高度为1120mn，车轮直径为915n，连接装置中心高度为925m竹，轴重为17t，车体

5、钢结构自重应不超过8．7t。1．2车体承载结构铰接式高速客车与法国Tcv类似，车体骨架采用低台金钢。由于其铰接型式的特殊性，端墙与普通车有较大的差异，端部承受较大纵向与垂向载荷，端墙强度较大列车采暖设备、空调装置等附属设备均安装在地板下部空问，再加以封闭。这样既降低，重心，增加了车辆有效横截面积；又减少Ⅲ，车辆下部的气流影响，减少了空气阻力。参照TC．V的设计”J，车体承载结构采用薄壁筒体电焊钢结构型式，具有轻量化、气密性好的优点车体横截面采用接近椭圆形的横断面设计，有利于减少阻力与噪声。底架采用无中梁波纹地板的形式鼓形侧墙开设大窗口，侧立柱由两根宽度较

6、大的帽形梁和墙板形成封闭箱形梁，具有较强的抗扭刚度，其钢板中部开孔减轻自重，车顶板用压筋取代r车顶纵梁。58维普资讯http://www.cqvip.com第6期岳峰抡张广世赵焕明等：铰接式高速客车车体结构轻量化设计研究2车体钢结构有限元分析模型在有限元分析建模时，采用整车结构建立计算模型，便获得较真实的车体结构在各种工况下的应力分布。铰接式高速客车车体为薄壁筒形整体承载结构，除底架为主要承载部件外，侧墙、端墙和车顶均参与承载，这些部件均为梁与板的组台件。由于车体的各种粱事实上也是由钢板弯压或组焊而成，型钢也可视为不同厚度板的组合，因而对于车体梁件既可按

7、梁单元也可采用板单元进行离散。本次计算除空气弹簧支承座作为板梁结构处理外，其它梁件包括小梁如窗横梁及车顶弯梁等均用梁单元进行离散。车体连接部分结构复杂，由于微机最大内存的局限性，须减少计算量，又由于主要研究目的是对车体承载结构进行分析，因而把这部分简化为梁件，侧墙板、车顶板离散为板单元，底架的波纹地板离散时采用板、梁结构予以模拟，其抗扭、抗弯特性采用等效原则由粱单元予以等效。计算中波纹地板等效梁数为7；车顶采用压型件替代传统的纵向梁，计算时同样进行了等效梁处理，其等效原则与波纹地板类似，等效为9根小梁。按上述离散原则，车体离散后共有l155个节点，109

8、4个板单元和1999个梁单元。经轻量化计算分析，对结构和梁截面进行优化后，模型共有l153个节点，1071个板单元和1953个梁单元，重量为8．508t。离散模型如图l所示。图1车体有限元离散模型3载荷计算与工况参考文献[2]及有关资料～，采用以下设计载荷。3．1计算荷载铰接式车体垂向力分析如图2所示。3．11垂向栽荷(超常栽荷)垂向载荷计算式如下：F口=l3(】+2rip)g式中：cZ——垂向载荷，kN；——整备状态下车体质量，取19．81；一)TCVRollingstk—RoundTables．13eijing．1995维普资讯http://www.

9、cqvip.com上海铁道大学学报第19卷n——定员数，取64人；p——每～旅客