详情

原文传递碳纤维复合材料在高速列车上的应用研究

论文题名：	碳纤维复合材料在高速列车上的应用研究
关键词：	高速列车;车头罩;碳纤维复合材料;气动静载荷;压缩试验;弹性力学
摘要：	本文对500km/h高速试验列车碳纤维复合材料车头罩进行了设计、分析和探讨。在借鉴国内外碳纤维复合材料结构的设计和强度分析方法的基础上，结合真空导入成型工艺特点以及现有车头罩的性能，充分发挥碳纤维复合材料比强度和比刚度高的特性，设计了高速列车用碳纤维复合材料车头罩。根据IEC61373-1999《铁道车辆设备冲击和振动试验标准》和GB/T3317-2006《电力机车通用技术条件》的相关规定，对车头罩进行冲击工况、气动静载荷工况以及端部排障压缩工况下的强度、变形仿真计算分析。以仿真计算结果为依据，采用真空导入工艺方法，试制了CFRP车头罩样件，并对其进行137kN端部排障压缩试验。试验结果表明，该结构的力学性能符合要求。说明该结构整体设计的合理性；数值仿真计算的准确性；同时也证明了数值仿真计算可以为复合材料的工程应用提供有意义的指导依据。　　本文具体研究内容如下：　　(1)综述了国内外复合材料的理论分析以及工程应用的发展状况和研究方向，并针对复合材料在高速列车上的主承力件以及非主承力件的应用情况进行了分析和总结，阐述了碳纤维复合材料应用到500km/h高速试验列车车头罩上的重大意义及可行性。　　(2)简述了复合材料力学的基础理论，主要包括各向异性弹性力学基础，单层板的弹性特性，层合板的弹性特性等。复合材料与各向同性材料不同，其弹性特性比较复杂。准确的掌握单层板以及层合板的弹性特性，将为复合材料的开发和应用提供十分重要的理论及技术支持。　　(3)简单介绍复合材料在ANSYS中的分析方法和流程。根据典型层合板的弹性特性，针对一简单对称层合板受x、y方向拉力问题的算例，分别通过解析法理论计算和有限元法仿真计算，对比两种方法得到的各层正轴应力和偏轴应力，相对误差均在0.63％以内。因此，可以证明有限元法的仿真计算结果的合理性和可信度，可以用ANSYS分析软件对高速列车用碳纤维复合材料车头罩进行有限元分析。　　(4)为了追求更高的列车速度，保持整体的流线型，将现有的可开合的两瓣型车头罩设计成上下分离的车头罩，这样不仅有利于提高下罩体与车体的联接强度，而且能更好地实现排障功能，同时拆卸方便，较之前直接报废的整体车头罩更加节约能源，减少浪费。根据高速列车车头罩的外部形状、内部连接要求和受载条件，对碳纤维复合材料车头罩的结构进行设计，并且根据IEC61373-1999《铁道车辆设备冲击和振动试验标准》和GB/T3317-2006《电力机车通用技术条件》的相关规定，确定了5个冲击工况，1个气动静载荷工况以及1个端部排障压缩工况，进行静力学计算分析。分析结果表明高速列车碳纤维复合材料车头罩满足以上两个标准的振动冲击强度要求、气动静强度要求以及对排障的要求。以仿真计算结果为依据，考虑一定的安全系数，采用真空导入工艺试制车头罩样件，并对其进行137kN端部排障压缩试验，试验结果表明，该结构的力学性能符合要求。
作者：	王明猛
专业：	车辆工程
导师：	肖守讷
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文