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高速列车复合材料司机室混杂结构有限元分析
2006年3月
高速列车复合材料司机室混杂结构有限元分析
张 胜,江大治,周 升
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(11国防科大航天与材料工程学院,长沙 410073;21株洲电力机车广缘科技有限公司,株洲 412001)
摘要:本文以典型高速列车钢制司机室结构为设计原型,利用有限元分析软件2ANSYS对其刚度和强度进行分析。在满足司机室对刚度和强度要求的前提下,提出了一种新型列车司机室结构形式2钢骨架复合材料司机室混杂结构。对比分析该结构形式与钢制司机室作,结果表明,利用玻璃钢泡沫夹芯材料设计复合材料司机室混杂结构,一方面可以提高司机室整体承载能力,另一方面可以减轻司机室20%自重。
关键词:高速列车;玻璃钢;泡沫夹芯;有限元;结构分析
中图分类号:U260138 文献标识码:A 文章编号:)21 引 言
,续5次实行大高时速约
200km/h,300km/h时速相比还存在较大差距,因此如何进一步提高列车速度,成为科技工作者所面临的挑战。目前实现提速的途径主要是对线路进行改造、加大机车牵引功率、降低车体自重等。其中减轻列车自重这一途径具有显著经济效益和社会效益。在实现提高时速的同时它还能降低能耗、减少废气污染及提高有效运输能力。利用轻质高强的复合材料制造列车是降低自重的重要手段,同时新型的复合材料成型工艺能一次整体成型大尺寸且具有复杂曲面的司机室。与常规的金属材料加工工艺相比,利用复合材料制造列车司机室
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能降低制造难度,节约制造成本。
国外利用复合材料制造列车车体及司机室结构已达到相当高的水平。早在1977年英国使用层压FRP板包覆聚氨酯泡沫芯构成夹层结构制造城际125型机车。在法国和日本等发达国家这项技术也
司机室进行了刚度、强度分析,对比分析了两种结构的受力特点,为将来对复合材料司机室结构进行优化设计、开发整体成型技术奠定基础。
2 典型钢结构司机室及其结构分析
为了充分发挥复合材料的力学特性,先对钢制司机室进行结构的强度和刚度分析,明确各部件的应力和变形情况。在此基础上结合树脂膜熔融渗透(RFI)工艺特点,合理地确定复合材料的使用部件和范围,得到一种较为理想的复合材料司机室结构。211 司机室结构
本文研究的复合材料司机室是以正在服役的某型高速列车司机室为设计原型,外形轮廓尺寸为2562×3100×2470mm(见图1)。其主体结构大致可分为钢骨架和蒙皮两部分。钢骨架主要由宽为80mm,厚分别为8mm、10mm、14mm3种规格的高耐候钢板焊接组成。材质模量为200GPa,泊松比为013,屈服强度为345MPa。蒙皮采用2mm厚不锈钢板,司机室结构总重量约为828kg。
较成熟,如法国的TGV和日本新干线E4机车都采用泡沫夹芯复合材料制造司机室结构,这不仅降低了司机室自重,而且减少了尺寸误差,提高了碰撞吸能性能和阻燃等性能。我国利用复合材料制造司机室结构现处于起步阶段,仍以手糊工艺为主,与发达国家相比尚存较大差距,目前首辆采用玻璃钢泡沫夹芯材料制造司机室结构的机车将投入上海地铁明珠线运营,而利用新工艺制造复合材料高速列车司机室尚在探索中。本文利用有限元分析软件
图1 司机室结构
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收稿日期:2005205230
本文作者还有曾竟成和刘均。
基金项目:国家863项目(2003AA333120)
作者简介:张胜(19752),男,硕士研究生,主要从事聚合物基复合材料成型工艺及结构设计研究。
FRP/CM 2006.No.2