基于铁路客车碳钢车体的轻量化提升与应用

摘要

随着铁路客车的快速发展，车辆轻量化已成为铁路客车设计的一个重要课题，特别是随着列车速度的提高，车辆轻量化的需求更加迫切。车辆轻量化意义如下:提高列车的运行速度，节约能源;降低车辆的制造成本;提高车辆启动加速度和制动减速度;减少车辆对线路的冲击，减轻线路维护的工作量。本文介绍了国内外车辆轻量化的发展现状及研究方向，阐述了车体轻量化的必要性，以25T型硬座车为例，提出了三种轻量化方案并进行对比，为碳钢车体的轻量化方法提供了工程参考价值。
　　建立了25T型硬座车原型车体有限元力学模型，计算了钢结构以及整备状态下车体的强度、刚度、模态和稳定性。采用OPTISTRUCT软件对车体钢结构进行了优化，以车体各部件板厚为设计变量，以车体的强度、刚度、模态和稳定性为性能约束，以设计变量的上下限为边界约束，以7种静强度工况、刚度、模态和稳定性作为优化设计的载荷工况，对25T型硬座车原型车体结构进行分析。根据计算结果对强度、刚度裕量较大的零部件的板厚进行调整，结合生产实际工艺水平和板材的耐腐蚀性确定零件的最终板厚做为第一方案。方案二在方案一的基础上将侧梁型钢改为压型件，在梁柱上开减重孔，取消车体结构强度多余的零件。方案三在方案二的基础上改变车顶结构，将中顶板由平板改为波纹板，弯梁断面变小，间距缩小，纵梁取消。根据有限元分析，对三种轻量化车体与25T原型车体进行对比，并进行了车体疲劳强度分析。从轻量化的角度考虑，方案三优于方案二;从制造成本的角度考虑，方案二较优。所以选用哪种轻量化方案，需要根据考虑价值工程系数及具体情况进行分析。
　　由车体钢结构有限元分析结果可知，25T型硬座车无论从强度、刚度、模态和稳定性角度上讲都有轻量化的空间。方案一、方案二和方案三相比25T原型车车体钢结构分别减重1480kg、1856kg、2348kg，实现了车体轻量化目标1500kg的要求。本文研究的车体轻量化的方法及方案可为碳钢车体的轻量化提供理论依据和支撑。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 车体轻量化原则

1．4 车体轻量化难点

1．5 本文研究的主要内容、目标与方法

1．6 本章小结

第2章 基本理论与研究方法

2．1 引言

2．2 有限元法步骤

2．3 有限元法的特点

第3章 25T原型车车体结构

3．1 车辆主要技术参数

3．2 车体钢结构简介

3．3 车体结构有限元分析

3．3．1 车体结构有限元模型

3．3．2 计算依据

3．3．3 各工况载荷及约束

3．3．4 车体静强度计算结果

3．3．5 垂向弯曲刚度计算结果

3．3．6 扭转刚度计算结果

3．3．7 模态分析结果

3．3．8 稳定性分析结果

3．3．9 小结

第4章 轻量化车体设计

4．1 车体轻量化方案一

4．2 车体轻量化方案二

4．3 车体轻量化方案三

4．4 轻量化车体结构有限元分析

4．4．1 车体静强度计算结果

4．4．2 垂向弯曲刚度计算结果

4．4．3 扭转刚度计算结果

4．4．4 模态分析结果

4．4．5 稳定性分析结果

4．5 小结

第5章 车体结构轻量化前后对比

5．1 车体重量对比

5．2 车体静强度对比

5．3 刚度对比

5．4 模态对比

5．5 稳定性对比

5．6 小结

第6章 车体疲劳强度分析

6．1 计算依据

6．2 疲劳强度计算工况

6．3 车体疲劳强度分析计算结果

6．4 小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果