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原文传递高速列车车体设计关键技术研究

论文题名：	高速列车车体设计关键技术研究
关键词：	高速列车;车体设计;气动性能;被动安全水平;轻量化结构
摘要：	我国高速铁路发展迅速，四纵四横客运专线已初步建成，高速列车已研发出众多系列，时速覆盖200～400公里。车体作为高速列车的主要承载部件，服役环境复杂，载荷冲击剧烈，进而对高速列车的运行安全性、舒适性、环保性及经济性产生显著影响。高速列车车体设计应在保证足够的强度与刚度、优良的振动与疲劳特性的前提下，提升高速列车车体气动性能，减轻高速列车车体重量，并能够在异常冲击情况下，对乘客提供安全防护。为此，本文将着重开展高速列车车体气动设计、被动安全设计及轻量化设计关键技术研究，主要研究内容如下: 　　(1)构建高速列车气动性能研究数值计算及缩比模型试验方法。研究数值计算各要素对高速列车气动性能计算结果的影响，得到其影响规律，提出高速列车气动性能数值计算中边界条件、湍流模型、缩比尺度、来流速度等系列要素选取的推荐值。研究缩比模型试验各要素对高速列车气动性能试验结果的影响，提出高速列车气动性能缩比模型试验中缩比尺度、Reynolds数、线路条件、相似准则等系列要素选取的推荐值。　　(2)建立高速列车气动外形精细化设计方法。针对高速动车组统型断面的车体高度增加及断面形状变化等问题，研究车体断面、长细比、导流槽等主要设计变量的设置及车顶平顺化处理的不同方式对高速列车气动性能的影响。基于自由变形法和样条曲面法建立最优头型方案的三维参数化模型，利用Kriging代理模型建立高速列车气动阻力及气动噪声响应面模型，结合多目标自适应遗传算法，得到气动性能最优的高速列车流线型头型方案;针对受电弓、转向架及车端风挡三个关键区域，通过结构表面平顺化设计，确定最优的表面平顺化设计方案。通过缩比模型试验、整车气动仿真和实车线路试验方法验证了该高速列车外形方案的空气动力学性能最优。　　(3)建立高速列车多级吸能协同设计方法，形成设计方案并工程化。构建高速列车三维刚柔耦合撞击动力学分析模型，建立多体刚柔耦合快速求解方法，确定了各车辆撞击过程中的撞击力、速度、减速度、撞击作用时间等一系列参数及各车辆吸能量;依据该能量分配方案，开展了全包覆外形车体多级吸能协同设计、主吸能结构耐撞性优选设计、头罩自动破损设计及排障器过载设计并进行元部件试验验证，形成了高速列车系统级耐撞性设计方法。以某型高速列车设计为实例，确定了整车多级吸能耐撞性设计方案，建立了整车精细有限元数值模型，开展了显式有限元仿真分析，并采用大部件碰撞试验验证方案的科学性与可行性，耐冲击吸能车体位移、吸能量等关键指标满足EN15227评判要求。　　(4)建立高速列车车体结构轻量化设计方法，形成设计方案并工程化。建立车体结构快速仿真计算方法，将复杂的车体有限元模型简化为车体轮廓线有限元模型，提高计算效率。采用结构优化设计方法，分析和确定优化变量、约束条件和目标函数，运用强度理论和优化设计分析程序，开展在刚度匹配条件下的断面结构轻量化分析，确定了轮廓线空间、尺寸和约束对应关系。建立高速铝合金车体的有限元模型，按照EN12663-1:2010标准进行了有限元分析;在此基础上计算了车体结构对设计变量的位移和应力灵敏度;基于灵敏度的知识信息，最终形成了结构轻量化的车体优化方案，该方法在第三阶段列车车体设计中得到工程化应用，并且经受住了性能测试和线路运行的严格考核。
作者：	丁叁叁
专业：	车辆工程
导师：	李强
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文