高速列车车体数值模拟和优化设计 高速列车车体主要采用哪些密封技术

　　摘要： 针对高速列车车体的强度和疲劳损伤问题，对高速动车组车体结构进行有限元分析和强度校核.结果表明，头车和中间车的最大应力均发生在车钩载荷施加附近的极小区域内，且应力值大于许用应力值，此处结构可能产生局部破坏，在车体试验时需要重点关注.为增强车钩强度，采用灵敏度分析方法优化头车车钩载荷施加区域、更改圆孔弧度，在很大程度上降低局部应力峰值，优化设计后的车体满足强度要求.
　　关键词： 高速列车； 车钩； 强度； 疲劳； 优化； 有限元
　　中图分类号： U271.91；U292.914；TB115.1 文献标志码： B
　　Numerical simulation and optimization design for
　　high speed train body
　　LIU Hui1， MA Jijun2， JI Fangfang2, ZHANG Liang1, ZHAO Guozhong1
　　(1. Department of Engineering Mechanics, Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics, State key Laboratory of Structural
　　Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China;
　　2. Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 060305, Hebei, China)
　　Abstract： As to the issues of strength and fatigue damage of high speed train body, the finite element analysis on body structure of high speed electric multiple unit is done to check the strength. The results show that the maximum stresses of the first carriage and the middle carriages appeared at a minuscule area nearby the coupler load area, and the stresses are out of the allowable stress, that is to say the local damage may occur at these parts which need to be focused on in body test. To enhance the strength of the couplers, the coupler load area is optimized by using the sensitivity analysis method, and then the local peak stress is reduced significantly by modifying the hole radian. The car body meets the strength requirements after optimization design.
　　Key words： high speed train; coupler; strength; fatigue; optimization; finite element
　　随着我国铁路进入高速发展的阶段，高速动车组受到广泛重视.车体是高速列车关键的人机界面部件和承载部件，车体的技术状态直接影响车体的安全性、可靠性和舒适性等.［1］由于速度等级的提升，车体承受的静、动态载荷更加复杂，且在高速条件下车体的强度和疲劳问题更为突出［2-3］；车体关键部位的应力水平优化设计也是列车安全运行的重要保障之一，因此研究高速列车车体设计技术具有非常重要的现实意义和经济价值.
　　许多学者和工程技术人员已进行相关研究：陈南翼等［4］对高速列车运行时的空气阻力进行试验研究和分析；宋红等［5］研究高速列车设备舱底板折边气动阻力以及折边对底板刚度的影响；刘天赋等［6］研发250 km/h卧车动车组的间壁T形单元和弹性组件，可提高轮轨激励和气动载荷作用下列车的舒适性；李红霞等［7］对动车组车体断面进行优化仿真分析.本文在高速列车静强度计算基础上优化、改进局部结构，使应力幅值有较大程度的降低.
　　1 车体模型简介
　　所研究的高速动车组车体结构采用全铝合金整体承载内走廊式结构，由底架、侧墙、车顶和端墙等焊接而成.在IDEAS中建立车体几何模型，然后进行有限元网格划分，车体平均网格边长为80 mm.对于车体中的板壳结构，大部分采用四边形四节点壳单元，局部几何形状不规则处采用三角形三节点壳单元过渡衔接.车体材料均为铝合金，弹性模量E=69 GPa，泊松比ν=0.3，剪切模量G=2(1+ν)/E.高速动车组有限元模型见图1.
　　2 计算工况和结果分析
　　计算模型分为头车和中间车，对头车计算分析14个工况(4个纵向工况、5个抬车工况、2个垂向工况、1个扭转工况和2个组合工况)，对中间车计算分析18个工况(8个纵向工况、5个抬车工况、2个垂向工况、1个扭转工况和2个组合工况).因所有计算工况中，1 500 kN车端压缩与垂直静载组合工况的载荷条件最复杂，故以该工况分析校核强度.
　　2.1 载荷施加
　　载荷分布见图2，其中，垂向载荷主要有均布压力载荷和大型吊挂设备的集中载荷；纵向载荷为施加在车钩区域的压力.
　　2.2 位移约束