高速列車車廂夾層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀研究

甘代偉

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西戶縣710302）

專論綜述

高速列車車廂夾層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀研究

甘代偉

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西戶縣710302）

高速列車車廂夾層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為新的科研發(fā)展方向。綜述了高速列車車廂輕量化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、抗撞擊性能、聲學(xué)性能、多目標(biāo)優(yōu)化等方面的研究，分析了研究方法，并探討了今后的研究方向。

高速列車車廂；夾層板；夾層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)高速列車的發(fā)展可知，高速列車有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：（1）高速列車的運(yùn)行速度越來越高，我國(guó)正在不斷開發(fā)350 km/h及以上速度的高速列車；（2）車廂結(jié)構(gòu)不斷追求輕量化，以節(jié)約能源；（3）車廂結(jié)構(gòu)剛度越來越好，以保證車廂乘坐舒適性。國(guó)外對(duì)高速列車車廂結(jié)構(gòu)的研究始于上世紀(jì)60年代，典型的有日本、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家。國(guó)內(nèi)的高速列車型號(hào)主要有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5.本文綜述了國(guó)內(nèi)外高速列車車廂輕量化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、抗撞擊性能、聲學(xué)性能、多目標(biāo)優(yōu)化等方面的研究，分析了研究方法，并探討了今后的研究方向。

1 高速列車車廂夾層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀

隨著列車運(yùn)行速度的提高，輕量化非常重要，綜合起來，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化有三種途徑：（1）使用輕型的高性能材料；（2）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；（3）新型制造工藝的開發(fā)。國(guó)內(nèi)外一直致力于新型制造工藝技術(shù)的開發(fā)，也取得了一定成效，然而由于新型制造工藝技術(shù)的開發(fā)周期較長(zhǎng)，同時(shí)投入較大，因此目前主要從開發(fā)新型輕量化材料和對(duì)產(chǎn)品現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來進(jìn)行輕量化研究，并附之進(jìn)行了抗撞擊性能、聲學(xué)性能等方面的研究。

（1）輕型高性能材料研究

目前使用最多的是夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，夾層結(jié)構(gòu)主要包括面板層和夾芯層，它們之間通過膠粘劑粘結(jié)而成。一般面板層較薄，采用強(qiáng)度和剛度比較高的材料，芯子采用密度比較小的材料。S I Seo[1]等人則使用輕型高性能的復(fù)合材料來設(shè)計(jì)車廂結(jié)構(gòu)，將上車身殼采用復(fù)合蜂窩板，下框架采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，經(jīng)過靜態(tài)和疲勞強(qiáng)度以及防火安全等測(cè)試確保了結(jié)構(gòu)的安全性，最終使車廂質(zhì)量減少了30%；擺式列車車廂采用中空擠壓式鋁型材作為材料，Jung-Seok Kim[2-5]介紹了韓國(guó)擺式列車車廂的制造過程，并采用有限元和試驗(yàn)的方法對(duì)韓國(guó)的擺式列車車廂的固有頻率、垂向變形、截面變形和防火性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求；David Wennberg[6]采用具有相同承載能力的夾層結(jié)構(gòu)來替換高速列車的金屬板和金屬梁等主要承載結(jié)構(gòu)，并對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的夾芯密度和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后校核了車廂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、固有頻率和剛度，結(jié)果表明，在滿足要求的情況下，車廂結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量減少了30%.

隨著研究的不斷深入，夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)也愈加明顯，這種輕型結(jié)構(gòu)材料具有良好的比強(qiáng)度、比剛度、最大抗疲勞性能和表面平整光滑等特點(diǎn)。然而，夾層結(jié)構(gòu)在大型承載工程零部件中的應(yīng)用卻較少，主要是其承受較大載荷條件下的行為性能沒有得到深入研究，同時(shí)現(xiàn)有制造工藝的限制也是其推廣應(yīng)用的一大障礙。

（2）夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

輕量化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)方法就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較多，是當(dāng)前研究的主要方向。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指工程結(jié)構(gòu)在滿足約束條件下按預(yù)定目標(biāo)求出最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)方法，其目的在于用最少的材料和最低的成本來獲得結(jié)構(gòu)的最佳性能，包括重量、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等目標(biāo)。常用的研究方法有結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法和有限元軟件仿真分析。如A.M.Harte[7]采用有限元軟件SAMCEF與優(yōu)化軟件BOSS QUATTRO相結(jié)合的方法對(duì)輕軌列車的夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先對(duì)整體車廂外殼夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，找到應(yīng)力最大的面板，然后對(duì)該面板分別進(jìn)行了形狀和尺寸優(yōu)化，形狀優(yōu)化以窗子的圓角半徑為變量，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為目標(biāo)，尺寸優(yōu)化以小層板的厚度為設(shè)計(jì)變量，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為目標(biāo)，采用MDQA算法進(jìn)行優(yōu)化求解，形狀優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的圓角半徑由最初的200 mm變成了158.3 mm，質(zhì)量從132.4 kg減少到129.7 kg，尺寸優(yōu)化后質(zhì)量則從129.7 kg減少到112.4 kg；Jung-Seok Kim[8-10]采用了專家系統(tǒng)、遺傳算法和有限元相結(jié)合的方法對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，以薄片板的疊放順序和個(gè)數(shù)為設(shè)計(jì)變量，應(yīng)變率的平方和最小為目標(biāo)，優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)的剛度提高了，并且薄片板的個(gè)數(shù)減少了34%.

（3）夾層結(jié)構(gòu)的抗撞擊性能研究

夾層結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)是在研究碰撞機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化或設(shè)計(jì)具有特殊吸能單元的新式結(jié)構(gòu)，以提高夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性能。

D.Karagiozova[11]等人利用有限元法分析了夾緊了的夾層結(jié)構(gòu)在爆炸中的性能，夾層結(jié)構(gòu)的面板為低碳鋼，夾芯為鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)，在夾層結(jié)構(gòu)的面板上加載爆炸產(chǎn)生的壓強(qiáng)隨時(shí)間的載荷圖，得到夾層結(jié)構(gòu)的性能，結(jié)果表明，在夾芯結(jié)構(gòu)一定時(shí)，傳到底面板的載荷大小取決于爆炸產(chǎn)生的載荷大小、夾芯的厚度和夾層板的彎曲剛度等；G.Belingardi[12]研究了高速列車頭部的夾層結(jié)構(gòu)的碰撞性能，夾層結(jié)構(gòu)的面板為玻璃纖維樹脂面板，夾芯為聚合泡沫，試驗(yàn)結(jié)果表明夾層結(jié)構(gòu)的碰撞性能主要依賴于泡沫夾芯材料的強(qiáng)度性能，在泡沫夾芯中增加一層樹脂墻可以增加夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能；Patrick M.Schubel[13]評(píng)估了夾層結(jié)構(gòu)在碰撞之后結(jié)構(gòu)的殘余機(jī)械性能，結(jié)果顯示，夾層結(jié)構(gòu)碰撞后產(chǎn)生的面板層分離對(duì)夾層板的承載載荷非常不利。

從國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果來看，僅靠對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來提高結(jié)構(gòu)耐撞性能是有限的，設(shè)計(jì)高效的吸能單元是提高結(jié)構(gòu)耐撞性能的主要途徑。

（4）夾層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

由于夾層板力學(xué)和隔聲方面的性質(zhì)相比于傳統(tǒng)材料存在著非常大的差別，對(duì)于外部激勵(lì)而引起的輻射噪聲問題，目前還缺乏理論分析模型，國(guó)內(nèi)外對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能的研究很少，相關(guān)的研究還處于初步階段，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還不夠完善。所以，研究夾層結(jié)構(gòu)的固有頻率、隔聲特性及低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。如Per Wennhage[14，15]對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足剛度、強(qiáng)度和隔聲性能約束的前提下，追求了夾層板的輕量化設(shè)計(jì)，隔聲性能以?shī)A層板降低聲音大作為表征，以面板和夾芯厚度、夾芯密度作為設(shè)計(jì)變量，最大變形、應(yīng)力和隔聲性能作為約束，建立目標(biāo)、約束與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系，最終使用移動(dòng)漸近線的方法（MMA）進(jìn)行了優(yōu)化求解，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的的密度從40 kg/m3降到了23 kg/m3.

（5）多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

高速列車車廂結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)很多，如質(zhì)量、剛度等，針對(duì)不同的運(yùn)行速度、運(yùn)行環(huán)境，優(yōu)化設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)也不同。為了使各個(gè)目標(biāo)之間達(dá)到一個(gè)較好的平衡，需要對(duì)高速列車車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。G R M Mastinu[16]等人對(duì)列車車輛的布局進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到車輛的最低生命成本，目標(biāo)函數(shù)有質(zhì)量、舒適性等5個(gè)指標(biāo)，車廂長(zhǎng)、輪對(duì)數(shù)等11個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，以車廂截面寬、每軸重最大載荷等4個(gè)指標(biāo)為約束，根據(jù)理論知識(shí)建立各目標(biāo)、約束函數(shù)與變量之間的關(guān)系，最后利用遺傳算法求得了Pareto優(yōu)化解集。

目前多目標(biāo)優(yōu)化的對(duì)象普遍具有局限性，國(guó)內(nèi)外研究也較少，因此多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究仍是未來主要方向。

2 結(jié)束語

目前對(duì)高速列車車廂的研究主要有對(duì)現(xiàn)有車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和疲勞校核，并對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)載荷下的尺寸優(yōu)化研究，優(yōu)化的部件有主要承載結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度較大和不足處以及對(duì)某項(xiàng)指標(biāo)不敏感部位，約束函數(shù)大都為應(yīng)力和位移，追求結(jié)構(gòu)輕量化，尺寸優(yōu)化的方法有下面幾種：（1）通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行有限元分析；（2）設(shè)計(jì)很多組試驗(yàn)進(jìn)行有限元分析，從滿足要求的方案中選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)；（3）利用優(yōu)化軟件OptiStruct或ISIGHT或ANSYS等進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)?？傮w來說，目前研究的大多是單一對(duì)象，優(yōu)化工況的載荷都是靜態(tài)載荷，沒有考慮多目標(biāo)下空氣動(dòng)力載荷、噪音等對(duì)車廂的影響。因此多目標(biāo)下空氣動(dòng)力載荷對(duì)車廂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和夾層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能研究將是未來研究的主要方向。

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Research Status of Structure Optimization Design for High-speed Train Compartments

GAN Dai-wei
（Shaanxi Institute of Technology，Huxian Shaanxi 710302，China）

Structure optimization design for high-speed train compartments has become a new research and development direction.This thesis reviews the research on the lightweight，structural optimization，impact resistance，acoustic performance and multi-objective optimization of high-speed train compartments，analyzes the research methods and discusses the future research directions.

high-speed train compartment；sandwich panel；optimization design for sandwich structure

TH122

A

1672-545X（2017）03-0235-03

2016-12-21

項(xiàng)目來源：陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題（編號(hào)：Gfy15-07）

甘代偉（1983-），男，福建寧德人，工程碩士，講師，主要研究異質(zhì)金屬曲面波紋夾層板。