高速磁浮车体结构设计及仿真分析.pdf
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1、信息技术蒋维等高速磁浮车体结构设计及仿真分析第一作者简介:蒋维()男四川广安人硕士研究生研究方向为轨道车辆结构设计及理论.:./.高速磁浮车体结构设计及仿真分析蒋维肖守讷(西南交通大学 牵引动力国家重点试验室四川 成都)摘 要:高速磁浮列车结构形式特殊与传统轮轨车辆的技术原理存在较大的差异 根据高速磁浮列车的受力特点确定车体材料设计合理的车体结构参考相关标准总结高速磁浮车静强度工况对车体结构进行强度及模态分析根据计算结果对车体进行结构优化确定设计方案 结果表明:该车体结构满足磁浮列车轻量化要求并满足全寿命周期内工况条件下强度和刚度的要求关键词:高速磁悬浮车体结构设计有限元中图分类号:.文献标志
2、码:文章编号:()():.:引言 年全国铁路已投产新线 其中高铁截至 年底全国城市轨道交通总里程已经超过 预计 年底铁路营业里程将达到.万 其中高铁将接近 万 不断完善的高速铁路网在为城市居民带来更加便利的同时也使人们对轨道交通有了进一步的追求:更高的运营速度、优异的舒适性、完善的轨道交通网而这些需求都是发展磁浮轨道交通的重要契机自 世纪初德国工程师 提出磁悬浮铁路原理以来许多国家都相继开始了磁悬浮技术的研究工作 其中德国和日本较早地投入研发并各自突破了不同技术路线的磁浮交通模式 德国掌握了常导高速电磁浮交通技术研制的 成为了世界上最先达到成熟阶段的磁浮高速铁路系统 而日本则主要研究 常导型中
3、低速磁浮列车以及低温超导高速磁浮列车 之后中国、美国、韩国、巴西、意大利、俄罗斯等国家在此基础上大力推广和发展了磁浮交通技术 美国的磁浮技术发展方向比较灵活其中 公司提出的真空管道“胶囊列车”最引人注目 中国目前已全面掌握了中低速磁悬浮交通技术的关键并先后于 年和 年开通了长沙和北京的中低速磁浮运行线路同时高速磁浮系统的研制也进入了工程化阶段磁浮交通技术与传统轮轨技术有较大的差异因此不能简单地沿用传统车辆的评价体系来对磁浮车体结构进行设计与分析 本文首先分析了高速磁浮列车的受力特点然后借此确定了车体材料的选型以及车体结构的设计最后对车体结构进行仿真分析使其能够达到强度和刚度的要求 高速磁悬浮系
4、统.高速磁悬浮技术特征磁浮交通是一种新型的轨道交通模式与传统的轮轨车辆不同是当今唯一运营速度能达到/的地面交通工具 磁悬浮能够实现与轨道之间无机械接触不会受到传统轮轨的黏着极限的限制因此具有噪声低、振动小、加速快、线路适应性强等技术优势 与轮轨系统相比磁浮系统在牵引、悬浮等方面具有不同的技术特点轮轨接触:黏着作用是轮轨系统运行的关键因素摩擦力既决定也限制了其牵引能力的水平 由于摩擦损耗等问题黏着作用产生的牵引力已经不能使传统铁路朝更高的速度领域迈进 而磁悬浮系统不存在机械摩擦接触摆脱了轮轨间的黏着作用实现无接触的悬浮与导向理信息技术蒋维等高速磁浮车体结构设计及仿真分析论上磁悬浮可以达到更高的运
5、营速度牵引系统:传统轮轨车辆通过受电弓与接触网接触使牵引电能传输到车内的牵引电机 接触网波速是由许用应力、导线张力、电阻率等因素综合决定 根据有关规定列车的运行速度应低于接触网波速的 因此列车运行的最大速度也会受到相应的限制 磁悬浮交通均采用直线电机利用产生的电磁力牵引列车运行使磁浮列车的爬坡能力、牵引能力不再受到受流限制.高速磁悬浮车体受力特点根据上述高速磁浮的技术特征可以分析出磁浮车体的承载形式具有以下特点垂向载荷:轮轨车辆一般由数个刚性支撑点承载然后传递到轨道上属于集中载荷 而磁悬浮列车的二系悬挂支撑点一般是轮轨车辆的数倍列车质量可以看作均匀地施加在轨道上属于分布载荷 因此由于悬浮分布载
6、荷磁悬浮列车导致的桥梁动态响应比轮轨车辆更小纵向载荷:高速磁浮列车每节车都带有直线电机属于真正意义上的全驱动 磁浮车运行过程中每个直线电机通过牵引座直接将纵向力传递给车体车体受到的牵引力与制动力是分散均匀施加的同步性比较好因此车体的纵向冲击比较小 而车体之间传递的纵向力很小车钩仅作为连挂结构只有当出现故障或救援状态下车体结构才承受纵向的牵引或压缩载荷横向载荷:与轮轨车辆类似车体在通过曲线时通常由于超高不足或超高过剩会引起横向载荷作用或者高速磁浮列车速度已经超过/时列车在进行交汇或者过隧道时会产生较大的横向风载荷等动态载荷:由于轨道存在制造的精度误差使得磁浮列车受到不平顺的作用这样将产生垂向的动
7、态载荷变化在设计车体结构时根据高速磁浮列车车体的实际受力情况可以参考相关的标准但必须适当调整其评价的指标体系 通过对国内外大量的车体结构设计、分析和试验标准分析比较适合参考的标准是 磁浮铁路技术标准(试行)以及:车体材料轨道交通经历了数百年的发展车体结构的材质从曾经的钢木混合车体、全钢车体、不锈钢车体发展到了铝合金车体、混合材质车体未来还会继续研发复合材料车体结构由于磁浮列车的悬浮能力是确定值本着车辆安全可靠性以及轻量化的理念在车体材料的选取上应综合考虑车辆的结构特点、加工工艺以及材料的力学性能等 国内高速动车组车体材料主要采用大型铝合金挤压型材且主要为、系列铝合金型材 上海高速磁浮列车车体参
8、照航空器标准设计由铝型材和三明治蜂窝铝板通过铆接和焊接的方式构成表 展示了日本不同材质、不同车体结构及车体自质量比较(表中:为结构用钢 为不锈钢 为碳纤维增强复合材料)可以看出采用铝合金结构和复合结构能较好地实现车体的轻量化更契合高速磁浮系统的需要 由于磁浮列车采用多点支撑对刚度要求相对较小因此本文设计的车体结构骨架主要采用、以及 种大型铝合金型材侧墙以及车顶等部分区域设计三明治夹芯复合材料结构 三明治复合板是一种新型的复合材料结构类型该车体的三明治夹芯结构是由两侧的铝合金面板与.泡沫芯材组成四周设计有密封梁如图 所示 泡沫芯材的力学性能参数如表 所示 夹层结构质量轻具有较高的比强度、比模量因
9、此在受到外力作用时变形较小此外还具有较高的固有频率、良好的抗疲劳特性以及优良的保温隔热功能和隔音、降噪性 车体主要制造材料力学性能参数见表 表 车体结构、自质量对比名称普通钢不锈钢铝合金 混合结构复合结构底架侧墙端墙车顶车体质量/.9+!图 三明治复合材料结构图表 泡沫芯材的力学性能材料密度/(/)弹性模量/泊松比切变模量/屈服强度/.压缩.拉伸.剪切.表 车体材料及焊缝的力学性能材料母材焊缝/厚度/车体结构设计根据上述对磁浮列车的受力特点分析再结合其运行环境对车体结构设计时应按照以下原则进行:)车体结构为整体承载结构)方便车下电气设备的安装)车体结构应能够承受相关规定的载荷且不会信息技术蒋维
10、等高速磁浮车体结构设计及仿真分析产生永久变形)车体结构应具备一定的刚度保证车体的正常使用以及旅客乘坐的舒适度)在保证车体强度和刚度的情况下应尽可能地减小车体结构的自质量轨道交通车辆的车体断面主要有梯形断面、矩形断面以及鼓形断面 本车体断面设计为带有弧度的鼓形断面全部采用相切圆弧过渡不仅具有低的运行阻力、良好的动态包络线、承载能力强等特点而且流线型的外观更加优美是目前广泛使用的车体断面磁浮车体铝型材的插口设计很重要一方面要考虑型材的连接另一方面要考虑焊接的性能 常见的大部件结构之间的连接主要是对接、搭接以及插接 种连接形式地板型材与底架边梁之间采用搭接方式方便调节底架的宽度地板型材之间调整量较小
11、因此采用对接形式连接同理车顶结构型材之间侧墙与车顶以及侧墙与底架之间也采用对接的插口形式组装方便且能够很好地满足外观要求 该铝合金车体采用全焊接连接形式具有密封性好、成本低、工艺成熟等特点 在车体设计中尽量采用纵向焊缝避免 型角焊缝的出现车体设计尺寸长度为 宽度为.高度为.车体主要由车顶、侧墙、底架以及端墙四大结构组成设计质量为.如图 所示图 高速磁浮车三维模型图底架作为乘客以及设备的主要承载结构主要由下弦梁、端梁以及底架型材构成 底架铝型材采用三角形型腔型材上、下壁厚均设为斜筋设为既满足车体强度的要求又便于铝合金型材的加工 底架端部设有槽型端梁用于和端墙连接以及车端连接装置和电气连接器的安装
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