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[轻量化专用车] 轨道交通车辆车体结构轻量化设计探析

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发表于 2020-9-14 16:11:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】轨道交通车辆车体结构轻量化设计探析
张永贵①;于兆华②
(①中车青岛四方机车车辆股份有限公司,青岛266111;②中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所,北京100000)
摘要:随着技术的不断创新,人们生活水平的提高,人们对物质的要求越来越高。就衣食住行中的行方面,技术不断革新:火车、汽车、磁悬浮列车等车辆的运行性能越来越高。到目前为止,就轨道交通车辆而言,技术研究人员对车体结构的轻量化进行了设计探析。本文就轨道交通车辆车体结构轻量化的设计方式及实施进行分析。
关键词:轨道交通车辆;车体结构;轻量化设计
1 结构轻量化的作用

优化是指在保证既有功能不变的情况下,对原有的系统、技术进行完善或者革新,使其更加符合社会生产要求。而车体结构轻量化就是通过对车体结构的优化,使其在相同的载荷边界条件下下,具有更轻的重量,使轨道交通车辆的启停更迅速,能耗更低。通过科学有效的方法,在设计的变量中选取最佳结果,实现车体结构最佳。

2 车体轻量化的设计策略2.1 科学选取最佳变量

板梁结构是车体设计中最关键的环节。因为板单元的受力较大,多更用于构建车体的大梁,而梁单元作为小梁形成要素之一,同时夹杂着焊接技术。车体的大致结构是结合多年来设计、试验验证确定的结果,因此在车体结构轻量化的过程中车体的梁柱布置不做变动。主要通过高新技术将搭建车体结构的材料进行重量减轻工作并且不影响车体的承重情况。以优化局部板梁厚度为主要工作,梁单元因结构承重考虑不做消除厚度处理。

2.1.1 分组优化

在做车体结构轻量化处理过程中,选择进行轻量化的结构越多,则轻量化结果越显著。但是随着轻量化的结构单元越来越多,会使轻量化过程变得复杂,导致轻量化过程效率降低。所以在轻量化过程中,将所需要的轻量化的结构进行分组优化,根据厚度的异同划分组别,需要注意的是整体的板与梁结构不能分离开来优化,提高轻量化的工作效率。对整体结构质量较重的单元需要着重注意,质量较小的单元也要考虑其受力情况及敏感程度的分析。在进行轻量化过程之前,将车体的各个数据进行详细综合的分析,选取最佳的变量结果,力求在轻量化过程后到达理想的结果。

2.1.2 进一步划分变量

结合初始变量进行优化计算,得到了初步优化结果和各变量的灵敏度。首先要进一步调整变量的上下限,并考察各变量所对应结构的质量变化情况;对于应力分布不均或者质量增大的组件,还需要结合灵敏度分析结果(其中包括变量对目标函数和所有约束函数的灵敏度)来进一步划分。通常情况下,初步优化后车体上还会存在多处应力集中,这不仅影响优化结果,还使得优化过程变得更加复杂。本文将使用一种应力集中处理办法来消除应力集中,并将优化变量进一步细化。

2.2 轻量化过程遇到的约束

轻量化过程旨在减轻车体重量,使其在轨道交通车辆启停、能耗等方面更加优秀。但不是为了减重而减重,在轻量化过程中会有边界约束条件,如车体的强度、刚度、模态及防碰撞能力等。并且“一千个人中有一千个哈姆雷特”,汽车的生产虽然已经进入工业化生产,但是每个车体之间仍然有所差异,所以在设计过程中数据不是一个固定的数,而是一个范围数。

轨道交通车辆车体强度涉及拉伸、压缩、扭转等多个载荷工况,在轻量化过程中,需要将多个载荷工况统筹考虑。但是如果将所有载荷工况一块考虑,那么势必会增加轻量化过程的任务量和难度。研发人员在轻量化过程中发现,将最苛刻的载荷工况进行轻量化优化后,其他载荷工况也将基本符合轻量化设计的要求。啃掉最难的骨头,其他迎刃而解。

2.3 应力集中限制

因车体轻量化过程受到强度和刚度的限制,而强度和刚度问题往往伴随着应力集中问题,其中大应力值会远大于材料允许的应力值。在诸多的轻量化实验中发现,应力集中问题比较难解决,尤其是在含有焊接单元的部分。应力集中问题往往会造成焊接单元在轻量化过程中失败的结果。

因此,在焊接单元部分着重注意应力集中问题,研发人员在经过诸多实验后发现了解决焊接单元应力集中的方法。如图1 所示。

首先,对焊接单元部分进行深入研究,采取更加精密的焊接单元以及对需要焊接的周围部件进行网格优化,然后模拟轻量化过程,进行数据对比。研究数据表明在焊接单元部分的应力集中问题可以消除。然后对焊接单元的周围进行二次优化,可以消除大部分应力集中问题,使模型的车体结构更加贴近真实的车体结构。应力集中问题可以得到最大可能的解决。

在经过上述操作后,个别应力集中点仍然存在,大都出现在尖角、孔洞、缺口、沟槽处及其单元部分周围。这种情况下,就需要设计者根据设计经验对连接部位进行优化以消除应力集中。

图1 优化流程

3 总结语

总之,本文通过分析,针对轨道交通车体结构的特点、灵敏度分析,通过分组、确定设计变量等策略探讨了如何实现轨道交通车体结构的轻量化设计,希望对轨道交通的高效运行以及科学设计方案制定有所帮助。在未来,轨道交通运用日益广泛背景下,轻量化设计也会越来越科学、高效,为轨道交通事业的进一步发展奠定基础。




发表于 2020-10-16 15:14:07 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享
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