地铁列车车体结构动态特性与优化研究

摘要

论文以模块化铝合金地铁列车车体为研究对象，在江苏省十五重大科技攻关项目“模块化铝合金地铁车体开发与产业化”(批准号：BE200401.6)和西南交通大学牵引动力国家重点实验室开放基金“地铁车辆结构动态分析与优化”(批准号：TPL0604)的支持下，基于结构和空气动力学理论，研究以提高地铁车辆的结构动态性能为目标。论文的主要研究内容和创新点如下： 1.建立了模块化铝合金地铁列车车体各分总成及整车的CAD装配模型，为建立车体结构动力学CAE模型做好了前期准备。 2.建立了新型高速地铁列车动车体各分总成及整车的结构动力学CAE模型。该模型考虑了车辆结构动态特性分析时既要有足够的分析精度，但规模又不宜太大，以照顾到计算机运行的效率。 3.以拖车(头车)作为研究对象，确定了有限元模型的计算载荷、运行工况和评定标准。计算了在整备状态下的车体静强度，整备状态和超常状态下的固有频率和振型。结果表明，地铁车体静强度能满足相关标准的要求，而车体一阶扭转和一阶垂向弯曲自振频率则低于10Hz，这样就不能避开转向架的点头频率。因此，提出了在满足车体强度前提下，适度减轻结构质量和增大结构刚度，实现降低次要的振型频率来提高主要的振型频率，以避开转向架的点头频率。 4.以工业设计的理论与方法作指导，研究了CAS技术在地铁列车头造型设计车中的应用，根据我国地铁B型车车辆限界标准，综合考虑列车气动和美学因素，并结合地铁列车的运行特点，提出了三种地铁列车车头简化计算模型，讨论了地铁列车流线型车头的外形设计、结构设计和加工工艺设计。 5.基于结构动力学和空气动力学理论，推导建立了地铁车头的空气动力学模型，分析了地铁车辆在隧道中和高架上运行的动力学特性，气动特性、压力分布及其阻力系数。优化了车头流线型造型，使车头达到了既减小气动阻力又使车头美观大方充满时代气息。 论文的研究工作为模块化铝合金地铁车体结构优化和流线型外观设计积累一定经验，对开发拥有自主知识产权的轨道车辆，提高我国地铁车辆设计水平作出贡献。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表索引

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与课题来源

1.2国内、外研究概况

1.2.1国内、外模块化铝合金地铁列车车体研究现状

1.2.2国内、外列车空气动力学研究概况

1.2.3地铁列车车头造型设计

1.3论文研究的主要内容

第二章 铝合金地铁列车车体结构动力学建模

2.1前言

2.2铝合金地铁列车车体有限元建模

2.2.1选取单元的种类

2.2.2单元的尺寸

2.2.3单元的形状质量

2.2.4 CAD模型的简化

2.2.5联接方式的模拟

2.3铝合金地铁车体结构CAD模型

2.4铝合金地铁车体结构动力学CAE建模

2.4.1单元种类的选用

2.4.2有限元模型简化

2.4.3对焊接模拟的研究

2.4.4建立车体有限元模型

2.5本章小结

第三章 铝合金地铁列车车体静、动态特性分析

3.1前言

3.2车体静力学计算分析

3.2.1车体静力学计算模型

3.2.2静力学计算工况的设定

3.2.3静力学计算结果分析

3.3地铁列车车体模态分析

3.3.1模态分析原理

3.3.2模态分析计算结果

3.4车体结构改进措施

3.5本章小结

第四章 流场控制方程及其理论基础

4.1前言

4.2流场控制方程

4.2.1基本方程

4.2.2方程的简化

4.3湍流的基本特性

4.3.1层流到湍流的过渡

4.3.2湍流的基本特性

4.4列车周围流场的三维湍流数值模拟控制方程

4.4.1湍流连续方程和雷诺方程

4.4.2湍流的半经验理论

4.4.3湍流模式理论的几个方程

4.5本章小结

第五章 列车车头计算机辅助造型CAS及模型的建立

5.1前言

5.2 CAS中的曲面造型技术

5.3采用NURBS曲面构建地铁列车造型设计中复杂曲面的方法

5.3.1复杂曲面的线框建模

5.3.2复杂曲面的表面建模

5.3.3曲面光顺性检查

5.4列车车头计算模型的建立

5.4.1 B型车标准限界

5.4.2地铁列车流线型车头的外形设计

5.4.3地铁列车流线型车头的结构设计

5.4.4地铁列车流线型车头的加工工艺设计

5.5本章小结

第六章 列车车头外流场的有限元分析

6.1前言

6.2 CFD常用数值计算方法

6.2.1有限差分法FDM(Finite Difference Method)

6.2.2有限元法FEM(Finite Element Method)

6.2.3有限体积法FVM(Finite Volume Method)

6.3初始边界条件的确定

6.3.1初始条件

6.3.2边界条件

6.4有限元方程的求解

6.5地铁列车外流场仿真优化流程图

6.6滑动网格技术

6.6.1滑动网格简介

6.6.2滑动网格的守恒方程

6.6.3滑动网格信息交换

6.7本章小结

第七章 地铁列车外流场的压力特征

7.1前言

7.2计算区域网格的生成

7.3列车头部外流场压力分布图

7.4列车横向截面上压力分布

7.5车顶流场的压力分布特征

7.6车体一侧铅垂面流场的压力分布特征

7.7车体一侧水平面流场的压力分布特征

7.8本章小结

第八章 地铁列车外流场的速度特征

8.1前言

8.2头车纵对称面上速度矢量图

8.3列车车顶面流场的速度分布特征

8.3.1车顶列车风速度v分布

8.3.2车顶列车风速度w分布

8.4列车一侧铅垂面上列车风速度分布

8.4.1列车一侧铅垂面上列车风速度v分布

8.4.2列车一侧铅垂面上列车风速度w分布

8.5列车一侧水平面上列车风速度分布

8.5.1列车一侧水平面上列车风速度v分布

8.5.2列车一侧水平面上列车风速度w分布

8.6模型B不同计算区域流场对比

8.6.1流场空气压力对比

8.6.2流场空气速度对比

8.7计算结果的分析

8.8列车车头选型的建议

8.9本章小结

第九章 总结与展望

9.1论文总结

9.2工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

攻读博士学位期间参与项目