时速160公里动力集中型动车组轻量化设计

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随着我国高铁行业的迅猛发展,中国铁路运输需求日益增多。应中国铁路总公司运输和经营发展要求,铁科院及中国中车旗下各公司联合开发了新型复兴号动车组:时速160公里动力集中型动车组。它是以既有25T型车为基础模型,参照中国标准动车组,对平面布置、内装设施、车辆密封等方面进行优化设计的新型车辆。优化后车体零部件及内装件较之前车辆版本均有性能提升,但与此同时也增加了车辆整体重量,以及列车运行负荷及轨道承载负荷。因此,参照现有标准,对时速160公里动力集中型动车组运用车体轻量化技术是当务之急。现在的轻量化方法大致分为两类,第一类是在动车组生产制造时,应用新型轻材料作为部分车体或者其它部件的材料。第二类就是对车体的结构进行优化。在满足其强度及刚度等标准条件下,更改部分结构尺寸或形状角度,以达到车辆轻量化的目的。本文是以中车长春轨道客车股份有限公司于2019年下线的短编组时速160公里动力集中型动车组作为研究对象,通过对该系列复兴号动车组车体结构进行优化设计,以达到车辆总体减重的目的。本文的主要研究内容分为以下四个部分:(1)根据时速160公里动力集中型动车组车体的三维模型,对模型进行了适当的简化,建立了有限元模型。根据《EN12663》、《UIC566》以及《UIC651》中的标准,分别将18个单一工况进行组合,选取主要的10种组合工况进行后续的车体强度及刚度的校核分析。应用ANSYS获得十种组合工况下的应力云图、变形云图以及应力峰值位置云图,来验证不同组合工况下时速160公里动力集中型动车组车体结构的强度和刚度的情况,从云图数据分析得出,结果均在标准范围内。(2)对比上述十种组合工况,在第50工况时,车体所受的应力最大。所以在最为严峻的第50工况下,分别同等程度增大车体车顶的刚度、车体底架的刚度以及车体侧墙的刚度。再次应用ANSYS软件获得应力云图、变形云图及应力峰值位置云图,通过对三种云图图像数据的分析,得出在同等程度增大底架、侧墙、车顶三者刚度的情况下,车体底架的刚度变化对动车组整体刚度的影响最为明显,所以后续将以车体底架作为优化对象来进行轻量化方案设计。(3)在Optistruct软件中对车体底架分别做了尺寸优化、肋板优选以及形状优化,并重新校核了优化后车辆的强度及刚度,结果满足标准要求,以此验证该轻量化方案的可行性。(4)在完成优化设计之后,将优化下的车体重量与原方案进行对比分析,时速160公里动力集中型动车组的车体总重量减少了8.54%,并且各个工况均满足强度刚度要求,实现了车体的轻量化。
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