复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(III)
高速磁浮列车复合材料横梁纤维褶皱问题研究
使是在一个简 单 的 几 何 面 上 进 行 压 实,铺 层 也 需 要 强
制去适应模 具 面 的 外 形. 例 如,考 虑 一 个 外 圆 角 上 的
情况(见图 １(
a)).当压实的时候,相比 其 它 层 而 言,最
内层需要强制 适 应 更 受 限 的 几 何 外 形;如 果 铺 层 之 间
横梁组成的力学性能、疲劳可靠性.
复合材料横梁外框为矩 形 框 结 构,采 用 阳 模 铺 贴,
阴模固化.用 预 浸 料 制 作 多 向 层 压 板 时,通 常 会 在 圆
角区域(
L 形件、
C 形 件 等)出 现 褶 皱 等 缺 陷,特 别 是 阴
模成型厚制件时这样的制 造 缺 陷 几 乎 不 可 避 免. 纤 维
力学性能产生 的 影 响,并 根 据 层 间 拉 伸 应 力 理 论 计 算
公式、有限元仿 真 和 层 间 失 效 准 则 对 正 常 状 态 样 件 圆
角位置的层间 力 学 性 能 进 行 评 估,对 比 了 不 同 方 法 的
计算精度,从而 为 工 艺 制 造 中 的 特 定 超 差 问 题 处 理 提
横梁组成的整体性能.主要通过复合材料曲梁强度试验对圆角纤维褶皱所造成的 L 形样件圆角层 间 强 度 性 能 下
降进行对比试验验证,通过试验研究圆角分层、褶皱 等 缺 陷 对 样 件 力 学 性 能 产 生 的 影 响,并 根 据 层 间 拉 伸 应 力 理
论和层间失效准则对正常状态样件的性能进行评估,通过有限元方法对正常状态样 件 的 试 验 过 程 进 行 仿 真 模 拟,
复合材料具有比强度比模 量 高、可 设 计 性 强、疲 劳 性 能
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(III)
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟（III）1. 引言复合材料磁悬浮列车具有重量轻、强度高、疲劳寿命长等优点，因此在车体结构设计中广泛应用。
本文针对复合材料磁悬浮列车车体结构进行数值模拟分析，旨在评估其受力性能，为改进设计提供参考。
2. 车体结构建模本文以某复合材料磁悬浮列车车体结构为研究对象，通过有限元软件建立了车体结构的三维模型。
模型包括车体壳体、车体横梁、连接件等部件，具体几何参数由实际设计参数确定。
在建模过程中，考虑了材料的非线性、接触接触条件、预紧等实际情况，保证了模型的真实性和可靠性。
3. 车体材料特性车体材料采用了碳纤维增强复合材料，具有轻量、高强度和耐腐蚀等性能。
通过材料实验测试得到了材料的弹性模量、泊松比、屈服强度等力学参数，以及疲劳寿命等材料性能参数，并将其作为有限元模型的输入参数。
4. 受力分析在模拟分析中，考虑了列车在不同运行速度下的受力情况，包括静载荷、动载荷、横向载荷等多种情况。
通过对车体结构的有限元分析，得到了各个部件的应力、应变、位移等结果，详细描述了车体结构在实际运行条件下的受力情况。
5. 疲劳分析由于磁悬浮列车在高速运行过程中会受到不同频率和幅值的载荷作用，因此车体结构的疲劳寿命成为设计的关键问题。
本文通过应用疲劳分析理论，计算了车体结构在运行条件下的疲劳寿命，评估了其耐久性能，并与设计要求进行了对比。
6. 结果与讨论通过数值模拟分析，得到了车体结构在不同载荷下的应力分布、变形情况等结果。
结果表明，复合材料磁悬浮列车车体结构具有较好的受力性能和疲劳寿命。
本文对模拟结果进行了详细的讨论，分析了结构中存在的一些潜在问题，并提出了一些改进设计的建议。
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(III)
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟（III）
复合材料磁悬浮列车具有车体轻量化、刚度和强度优异、阻尼性能好等优点，是未来
城市交通的重要发展方向。
为了研究和优化磁悬浮列车车体结构，本文对其进行了数值模
拟分析。
本文根据磁悬浮列车的实际情况建立了车体结构的数值模型。
模型采用了有限元分析
方法，将车体结构分解为多个小单元，并根据实际情况设定了边界条件和荷载情况。
然后，通过数值计算，得到了车体结构的应力、应变、变形等参数。
在数值模拟中，本文考虑了复合材料的各向异性和非线性特性。
复合材料的各向异性
是指其在不同方向上的性能不同，本文采用各向异性本构模型描述复合材料的力学行为。
复合材料的非线性特性是指在受到较大荷载时，其力学性能发生明显变化，本文采用等效
线性化方法处理复合材料的非线性问题。
通过数值模拟分析，本文得到了磁悬浮列车车体结构的应力分布情况。
结果显示，车
体结构在车轴附近承受的应力较大，而车体两端的应力相对较小。
这是因为车体在行驶过
程中受到的荷载主要集中在车轴位置，而车体两端的荷载相对较小。
本文还对磁悬浮列车车体结构的刚度和强度进行了分析。
结果显示，车体结构的刚度
和强度均满足设计要求，能够承受列车行驶时的荷载和外界环境的影响。
本文通过数值模拟分析研究了复合材料磁悬浮列车车体结构的力学性能。
研究结果显示，磁悬浮列车车体结构具有良好的刚度和强度，能够满足实际使用的要求。
这为磁悬浮
列车的设计和优化提供了理论依据和参考。
高速磁浮列车复合材料横梁纤维褶皱问题研究
高速磁浮列车复合材料横梁纤维褶皱问题研究【摘要】本研究旨在探讨高速磁浮列车复合材料横梁纤维褶皱问题。
首先介绍了研究背景和研究意义，指出该问题对高速磁浮列车性能和安全具有重要影响。
接着分析了复合材料横梁纤维褶皱问题的成因和影响因素，探讨了针对该问题的解决方法，并进行了实验验证和数据分析。
研究结果表明，纤维褶皱问题严重影响了横梁的强度和稳定性。
最后总结了复合材料横梁纤维褶皱问题的研究成果，展望了未来研究方向，为提高高速磁浮列车的运行安全性和效率提供了重要参考。
【关键词】高速磁浮列车、复合材料、横梁、纤维褶皱问题、研究背景、研究意义、影响因素、解决方法、实验验证、数据分析、结论、未来展望1. 引言1.1 研究背景复合材料在高速磁浮列车的应用中起到了至关重要的作用，其中横梁作为结构的关键部分承担着重要的载荷和支撑作用。
复合材料横梁纤维褶皱问题一直是该行业面临的重要挑战之一。
纤维褶皱是指在横梁制造过程中，纤维层之间或纤维与基体之间由于不良的成型工艺或应力导致局部皱曲，使得横梁的强度和刚度受到影响，甚至会导致横梁的破裂。
纤维褶皱问题的存在严重影响了高速磁浮列车的安全性和运行稳定性，因此有必要开展深入研究并找到解决方法。
了解纤维褶皱问题的形成机理、影响因素，并寻求有效的解决方法，对于提高高速磁浮列车横梁的性能具有重要意义。
当前，关于复合材料横梁纤维褶皱问题的研究还比较有限，需要进一步深入挖掘，为高速磁浮列车的发展提供有力支持。
1.2 研究意义复合材料在高速磁浮列车横梁中的应用已经成为了现代交通领域中的重要研究方向。
随着高速磁浮列车的不断发展和推广，复合材料应用的质量和性能要求也越来越高。
横梁作为高速磁浮列车的关键部件之一，其质量和强度直接影响着列车的安全性能和运行效率。
纤维褶皱问题是复合材料横梁中常见的质量缺陷之一，会导致横梁的强度和刚度降低，从而影响整个列车的安全性能和运行稳定性。
对复合材料横梁纤维褶皱问题进行深入研究具有重要的意义。
高速磁悬浮列车用碳纤维复合材料裙板的设计与分析
高速磁悬浮列车用碳纤维复合材料裙板的设计与分析仇亚萍1，沈真1，陈海军“，董晴晴1，单永林2(1.江苏恒神股份有限公司，丹阳212300； 2.中车青岛四方机车车辆有限公司，青岛266111)摘要：基于树脂基复合材料的可设计性优势和复杂结构可一次成型的特点，本文借鉴飞机复合材料设计规范，并同时对比分析两种结构设计方案，最终研制了一款用于高速磁悬浮列车的碳纤维复合材料裙板结构，该结构采用型腔结构一体化成型技术，典型优点为在满足设计要求的前提下实现了33%减重,抗冲击性能更加优异，并同时降低了生产成本。
本文结合新型裙板结构的研制过程，从材料选择、结构选型、设计规范修正、设计值取值、仿真计算到成品试验几个方面系统论述了树脂基复合材料用于轨道交通领域的设计思路。
关键词：碳纤维复合材料；磁悬浮车体裙板；型腔结构；设计规范中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)02-0095-07随着社会经济的快速发展和人民对更快捷出行方式的追求，更高速城际列车的研制成为轨道交通领域研发的关键任务⑴。
但是在追求速度的同时,人们也越来越关心高速列车的节能性、环保性和舒适性。
如何平衡高速与节能并行需求，传统材料和结构已经无法在技术上给出答案，材料与结构的多元化势在必行。
以碳纤维复合材料为代表的先进复合材料在高速列车中的应用将成为解决轻量化、环境适用性等问题的关键[2-5]O碳纤维复合材料基于其高比强度、高比模量的性能优势，以及其优异的抗疲劳耐腐蚀性能和易于复杂结构一体化成型的制造特点成为结构轻量化的首选材料，在航空航天领域已经成熟运用40余年[6-8],并积累了丰富的设计、制造和使用经验;近些年来其在轨道交通领域也逐步得到应用，已经从非承力结构如车内饰、司机室外壳扩展到裙板等次承力结构以及地铁车体、转向架等主承力结构。
目前轨道交通领域尚无针对复合材料的设计规范，鉴于轨道交通车辆与飞机结构存在相似性，因此需要在借鉴航空领域经验的基础上，探索适用于轨道交通车辆的碳纤维复合材料结构应用技术。
滚压有限元模型数值模拟
滚压有限元模型数值模拟
刘福超;雷丽萍;曾攀
【期刊名称】《塑性工程学报》
【年(卷),期】2012(19)2
【摘要】滚压数值模拟是制定滚压工艺、预测滚压后工件表面残余应力分布,以及判定工件疲劳性能的重要工具。
目前的滚压数值模拟主要集中在对曲轴以及回转体的分析,少有的对平面滚压数值模拟中,大多数也只分析了单圈或不到一圈的滚压过程,而且与实际滚压工艺存在较大的区别。
为弥补以上不足,该文采用有限元商业软件ABAQUS提供的Explicit模块,并结合python编程语言,开发了更接近于实际的滚压模拟过程;采用该模型研究了滚压力的大小、滚针直径、表面摩擦系数等对于残余应力分布规律的影响,并通过H13钢的滚压实验,对模型模拟结果进行了验证。
【总页数】5页(P17-21)
【关键词】滚压强化;残余应力分布;平面滚压模型;实验验证
【作者】刘福超;雷丽萍;曾攀
【作者单位】先进成形制造教育部重点实验室;清华大学机械工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TH162
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1.用于数值模拟的带支架个性化主动脉弓动脉瘤有限元模型的构建 [J], 乔爱科;孟宪龙;付文宇;顾兆勇
2.复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(Ⅰ)——适应车体设计的参数化有限元模型 [J], 王人鹏;周勇;程玉民
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复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(III)
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟（III）1.引言复合材料磁悬浮列车作为目前高速铁路交通领域的一个重要发展方向，具有重量轻、刚度高、耐疲劳性好等优点，在车体结构设计中得到了广泛的应用。
本文旨在利用数值模拟方法，研究复合材料磁悬浮列车车体结构的动力学性能，为其设计和改进提供理论依据。
2.1 建立车体结构有限元模型在进行复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟之前，首先需要建立车体结构的有限元模型。
有限元模型的建立是数值模拟研究的重要基础，它直接影响到模拟结果的准确性。
在建立有限元模型时，需要考虑车体结构的几何形状、材料性能、约束条件等因素，同时需保证有限元模型的简洁性和准确性。
2.2 材料建模和参数设定复合材料磁悬浮列车车体结构通常采用多种材料组合而成，其中包括环氧树脂基复合材料、碳纤维增强复合材料等。
这些材料具有优异的力学性能和耐疲劳性能，但其材料参数对数值模拟结果的影响较大。
在进行数值模拟时，需要对这些材料进行合理的建模和参数设定，以保证数值模拟结果的准确性和可靠性。
2.3 载荷和边界条件的设定在进行复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟时，需要考虑到列车在运行过程中受到的各种载荷，如垂直载荷、横向载荷、纵向载荷等。
还需要考虑到列车车体与轨道之间的接触条件和边界条件。
这些载荷和边界条件的设定对于数值模拟结果的准确性和可靠性具有重要影响。
2.4 数值模拟分析在车体结构有限元模型建立、材料建模和参数设定、载荷和边界条件设定完成后，可以进行车体结构的数值模拟分析。
通过对车体结构在各种载荷作用下的受力情况、应变分布、振动特性等进行数值模拟分析，可以获取与车体结构相关的各项性能指标，为车体结构的设计和改进提供重要参考。
通过对复合材料磁悬浮列车车体结构的数值模拟分析，可以得到其在不同载荷下的受力情况、应变分布、振动特性等数据。
通过对这些数据的分析，可以得出以下结论：3.1 复合材料磁悬浮列车车体结构在垂直载荷作用下具有较好的受力性能和刚度。
闭口型材磁浮车辆车体的结构优化
闭口型材磁浮车辆车体的结构优化张文;丁旺才;李国芳;张学山【摘要】在磁浮车辆设计的过程中,其结构设计是安全运营的基本保障.在CAE(计算机辅助工程)技术迅速发展的时代,通过有限元软件进行相关的分析与计算,无疑是进行磁浮车辆车体结构优化设计的一种快速有效的办法.对闭口型材车体进行了有限元建模,并根据真实受力情况设计了强度计算的工况,然后在Ansys软件中对其进行静强度计算,依据计算结果改进了出现过大应力的部位结构,最后验证了优化后的车体结构能够满足强度要求.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2015(018)002【总页数】4页(P74-77)【关键词】磁浮车辆;车体结构;闭口型材【作者】张文;丁旺才;李国芳;张学山【作者单位】南京铁道职业技术学院动力工程学院,210031,南京;兰州交通大学机电工程学院,730070,兰州;兰州交通大学机电工程学院,730070,兰州;北京控股磁悬浮技术发展有限公司,100029,北京【正文语种】中文【中图分类】U270.6;U237城市轨道交通的发展为现代城市紧张的交通提供了很多便利，磁浮车辆作为城市轨道交通方式的一种，也受到了一定程度的重视。
我国从20 世纪80年代起就开始了对磁浮技术的研究，如今，我国已经开始自主研发磁浮车辆。
北京控股磁悬浮技术发展有限公司是我国拥有自主知识产权的中低速磁浮交通系统供应商。
公司以技术研发、工程管理、车辆制造、服务体系为基础，依托工程化体系合作单位，实现了交钥匙工程的磁浮交通系统建设模式。
本文以北控磁悬浮公司的车辆为研究对象，对其进行有限元分析与结构优化。
目前城市轨道交通车辆的车体主要由大型中空铝型材组成，又称为闭口型材或者双壳结构。
中空材料根据材料本身所具有的面外刚度高的特性，可以省略在单壳结构中必须使用的加强材料，从而能够减少零部件数量，简化工艺。
因此，在进行磁浮车辆车体结构设计时亦采用闭口型材。
1 闭口型材车体强度分析1.1 闭口型材车体有限元模型根据磁浮车辆车体的实际设计参数，建立了闭口型材车体有限元模型，参见图1。
常温常导中低速磁悬浮列车车体数值仿真及验证
常温常导中低速磁悬浮列车车体数值仿真及验证
张学山;谢素明;兆文忠
【期刊名称】《大连交通大学学报》
【年(卷),期】2006(027)004
【摘要】针对磁悬浮列车的中空挤压铝型材、蜂窝夹层板结构和承载特殊性,研究了常温常导中低速磁悬浮列车车体有限元建模对策,并从包括强度、刚度、侧风压力、振动模态及耐撞性等多学科领域进行数值仿真与评估.工程样车车体强度实测结果证明了上述工作是可靠和有效的.
【总页数】4页(P14-17)
【作者】张学山;谢素明;兆文忠
【作者单位】唐山机车车辆厂技术中心,河北,唐山,063035;大交通大学机械工程学院,辽宁,大连,116028;大交通大学机械工程学院,辽宁,大连,116028
【正文语种】中文
【中图分类】O241.82
【相关文献】
1.常导中低速磁悬浮列车道岔参数计算 [J], 尹力明;罗昆
2.基于工控机的常导中低速磁悬浮列车机械制动控制系统 [J], 赵宇;尹力明;赵志苏
3.电力电子技术在常导中低速磁悬浮列车中的应用 [J], 伊力明;王洪波
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5.我国第一辆常导中低速磁悬浮列车近期在长沙试验线完成初步运行试验 [J], 尹力明
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复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(III)
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟（III）一、复合材料在磁悬浮列车车体结构中的应用复合材料是由两种或两种以上的材料按一定的比例和方式组合在一起形成的新材料。
其由纤维增强材料和基体材料组成，具有轻质高强、抗腐蚀、抗疲劳等特点。
这些优良的性能使得复合材料成为磁悬浮列车车体结构的首选材料之一。
在磁悬浮列车车体结构中，复合材料主要应用于车体外壳、横梁、车轮罩等部分。
与传统的金属材料相比，复合材料具有较高的强度和刚度，能够有效减轻车体自重，提高车辆的运行速度。
而且，在高速行驶过程中，复合材料材料的抗疲劳性能和耐久性也能够有效提高磁悬浮列车的安全性和可靠性。
1. 复合材料车体结构的建模在进行数值模拟之前，首先需要建立复合材料磁悬浮列车车体结构的三维数值模型。
这需要考虑到复合材料的特性，如各向异性、层合板的叠层结构等。
还需要考虑到车体结构与其他部件的连接方式，以及受力情况等。
在建模的过程中，需要借助专业的计算机辅助设计（CAD）软件进行建模，确保模型的精度和真实性。
建立好复合材料车体结构的三维数值模型后，还需要对其进行力学分析。
这涉及到多物理场的耦合问题，如结构力学、热力学、流体力学等。
在进行力学分析时，需要考虑到复合材料的各向异性和非线性特性，确保分析结果的准确性和可靠性。
在力学分析的基础上，可以对复合材料车体结构进行优化设计。
通过数值模拟的手段，可以对车体结构进行参数化的设计，以获得最佳的结构形式和尺寸。
还可以根据实际工况和使用要求，对其材料的选择和工艺加工进行优化，以提高车体结构的性能和可靠性。
1. 求解车体结构的应力和变形分布通过复合材料磁悬浮列车车体结构的数值模拟，可以求解其在不同外载荷作用下的应力和变形分布。
这可以为工程师提供车体结构的受力情况，为后续设计和分析提供依据。
2. 评估车体结构的性能和可靠性3. 优化设计和改进车体结构通过数值模拟的手段，可以对复合材料磁悬浮列车车体结构进行优化设计和改进。
高速客车车体端板复合材料层合结构的力学性能数值模拟
Ａｂ ｔａｃ ： ｍｕ ａｉ ｎ ｆ ｃ ｍｐ ｓｔ ｍａ ｅ ａ ｃ ａ ｉｓ ｔｅ ｇｈ ｓ ｉ ｃ ｔ ｅ ｐ ｃ ａｌ ｆｒ ｈ ｓ ｒ ｔ Ｓｉ ｌｔｏ ｏ ｏ ｏ ｉ ｅ ｔｒ ｌ ｍｅ ｈ ｎｃ ｓｒ ｎ ｔ ｉ ｄｆ ｕｌ， ｓ ｅ ｉｌｙ ｏ ｔ ｅ ｉ ｉ ｃ ｍｐ ｅ ｏ ｔａ ｔ ｒ ｎ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｄ ｓｇ ｐ ｌｃ ｔｏ ．Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｏ ｌ ｘ ｃ ｎ ｒ ｃ ｕ ｅ ｉ ｎ ｉｅ ｒｎ ｅ ｉｎ ａ ｐ ｉａｉ ｎ ｓ ｄ ｏ ｈ ｘｐｅ ｉ ｎ ａ ａ ａ ｒｍｅ ｔ ｄ ｔ ｎｄ ｂｙ ｕ ｉ ｇ ｌｒ ｅ ｇ ｎ ｒ ｌｐ ｏ ｒ ｍ ｐｅｍｅ ｈ ｓｎ ａ ｇ ｅ ｅ ａ ｒ ｇ ａ Ｈｙ ｒ ｓ ／Ａｎ ｙ ， ｕ ｒｃ ｌｓｍｕ ａｉｎ ｏ ａ ｎ ｏ ｅ ｎ ｓ ｏ ｓ ｓ ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌ ｔｏ ｆｆ ｔｅ ｄ ｃ ｖ ｒ ｇ ｎ ａ ｌ ｉ
组 由 ８辆车组 成 ， 通过 特殊 的风 挡装 置连 接在 一起 ． 这 些风 挡 的 每一 侧 各安 装 一 个外 端 盖 板 ． 些外 在 这
端 盖板 与一些 箱 体安装 在 一起 ． 这些 盖板 均 由复合 材料 层合 结构 组成 ， 中还 有 “ 明治 ” 构 ． 保 护 其 三 结 为 箱体 内的 电气 设 备 ， 端盖 板必 须满 足特 定 的性能 需要 ， 外 因此需 要按 照设 计规程 对 左右 两块 盖板进 行 强
中 图 分 类 号 ： ２ ０４ Ｕ ７ ．２ 文献 标 识 码 ： Ａ
Ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｍ ｒｃ ｌＳ ｍｕｌ ｔｏ ｆＣｏ ａ ｉ ｎ ｏ ｍｐｏ ｉｅ Ｍ ａ ｅ ｉ ｌＭ ｅ ｈａ ｉａ ｓｔ ｔｒａ ｃ ｎｃ ｌ Ｓ ｒ ｎ ｔ ｆＦｌ ｔ Ｅｎ ｖ ｒ ｎ ｓ ｏ ｇ Ｓｐ ｅ ａ ｎ ｔ ｅ ｇ ｈ ｏ ａ ｄ Ｃｏ ｅ ｉ ｇ ｎ Ｈｉ ｈ－ ｅ ｄ Ｔｒ ｉ Ｗ ＡＮＧ ｅ ｄ ｎ ＺＨＡＯ ｅ — ｈ ｎ ＣＨＥＮ ｎ — ｈ ， Ｅ ｕ － ｅ Ｙｕ — ｏ ｇ， Ｗ ｎ ｚ ｏ ｇ， Ｂｉ ｇ ｚ ｉ ＮＩ Ｃｈ ｎ ｇ
磁浮列车碳纤维车厢与铝合金夹层结构连接结构设计与优化
基金项目:国家自然科学基金面上项目(５１６７５４４６)ꎻ国家重点实验室自主课题资助项目(２０１９ＴＰＬ－Ｔ１３)第一作者简介:李戈辉(１９９４ )ꎬ男ꎬ河南三门峡人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为车辆强度与可靠性㊁碳纤维复合材料结构强度ꎮＤＯＩ:１０.１９３４４/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１６７１－５２７６.２０２２.０４.００８磁浮列车碳纤维车厢与铝合金夹层结构连接结构设计与优化李戈辉ꎬ杨冰ꎬ肖守讷ꎬ阳光武ꎬ朱涛ꎬ王明猛ꎬ陈东东(西南交通大学㊀牵引动力国家重点实验室ꎬ四川成都６１００３１)摘㊀要:某型号磁悬浮列车车厢采用碳纤维复合材料ꎬ夹层结构采用铝合金ꎬ由于两种材料之间存在较大的电位差ꎬ易导致机械连接结构发生电化学腐蚀ꎬ进而引起连接结构破坏ꎮ因此采用共固化的方式对其连接结构进行设计ꎮ因碳纤维和铝合金热膨胀系数不同ꎬ为缓解温度引发的共固化连接结构内应力ꎬ从理论和仿真两个角度对连接结构的热应力进行了分析ꎬ并采用基因遗传算法对连接结构的铺层角度进行了优化ꎮ优化后连接结构最大应变下降了３５.７％ꎮ关键词:磁浮列车ꎻ碳纤维复合材料ꎻ铝合金ꎻ层合板ꎻ热应力ꎻ基因遗传算法中图分类号:Ｕ２７０.２㊀㊀文献标志码:Ｂ㊀㊀文章编号:１６７１￣５２７６(２０２２)０４￣００３０￣０５ＤｅｓｉｇｎａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＣａｒｒｉａｇｅａｎｄＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙＳａｎｄｗｉｃｈＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＭａｇｌｅｖＴｒａｉｎＬＩＧｅｈｕｉꎬＹＡＮＧＢｉｎｇꎬＸＩＡＯＳｈｏｕｎｅꎬＹＡＮＧＧｕａｎｇｗｕꎬＺＨＵＴａｏꎬＷＡＮＧＭｉｎｇｍｅｎｇꎬＣＨＥＮＤｏｎｇｄｏｎｇ(ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｒａｃｔｉｏｎＰｏｗｅｒꎬＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１００３１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｃｅｒｔａｉｎｍｏｄｅｌｏｆｍａｇｌｅｖｔｒａｉｎｃａｒｒｉａｇｅｍａｄｅｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｗｉｔｈａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｄｕｅｔｏｔｈｅｌａｒｇｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｗｏｍａｔｅｒｉａｌｓꎬｔｅｎｄｓｔｏｃａｕｓｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｒｒｏｓｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｗｈｉｃｈｂｒｉｎｇｓａｂｏｕｔｔｈｅｄａｍａｇｅｔｏｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅｃｏ－ｃｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｓｉｎｃｅｔｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔꎬｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄｆｒｏｍｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓｔｏａｌｌｅｖｉａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ.Ｔｈｅｓｔａｃｋｉｎｇａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍꎬｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒａｉｎｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｙ３５.７％.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍａｇｌｅｖｔｒａｉｎꎻｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎻａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙꎻｌａｍｉｎａｔｅꎻｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓꎻｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ０㊀引言近年来ꎬ随着磁悬浮列车技术的不断发展ꎬ碳纤维复合材料(ＣＦＲＰ)和铝合金已成为磁浮车体轻量化设计的主要材料[１－２]ꎮ在车体结构中ꎬ碳纤维复合材料与铝合金常用的连接方式有胶粘连接㊁螺栓连接㊁铆接和混合连接ꎮ不同材料之间存在电位差ꎬ导致连接结构易发生电化学腐蚀而引起连接结构破坏ꎮ因此在碳纤维与铝合金的连接结构设计时ꎬ不能沿用传统的机械连接方式ꎮ沈真等[３－４]在复合材料飞机结构强度设计与验证中认为ꎬ碳纤维与铝合金宜采用共固化连接方式ꎮ然而ꎬ碳纤维复合材料和金属材料的热膨胀系数不同ꎬ易导致共固化成型连接结构在热应力的作用下发生断裂[５]ꎬ因此应通过优化层合板铺层来减小热应力ꎮ１㊀碳纤维车厢与铝合金夹层结构连接结构设计１.１㊀磁浮列车车体结构分析磁浮列车车体主要由碳纤维车厢㊁铝合金夹层结构两部分组成ꎮ碳纤维车厢是在原铝合金车厢的基础上优化设计而来的ꎬ质量减少了４２％ꎬ轻量化效果显著ꎮ同时为了保证碳纤维车厢能够满足原有的技术条件要求ꎬ碳纤维车厢在结构的尺寸上应与铝合金车厢保持一致ꎬ与其他结构连接接口保持不变ꎮ碳纤维车厢为采用中空吹气成型工艺制造的壳体型腔结构ꎬ如图１所示ꎮ夹层结构结构为全铝合金结构ꎬ如图２所示ꎮDMzxy图１㊀碳纤维车厢结构示意图zxy图２㊀铝合金夹层结构结构示意图１.２㊀碳纤维车厢与铝合金夹层结构连接结构设计㊀㊀为了保证碳纤维车厢和铝合金夹层结构间的连接接口与原车体保持一致ꎬ连接结构的设计如图３所示ꎮz xy 图３㊀连接结构示意图如图３所示ꎬ部件１是位于碳纤维车厢底板下的燕尾槽结构ꎬ该结构与底板采用中空吹气成型工艺一体成型ꎮ部件２为铝合金挤压型材ꎬ横截面如图３所示ꎬ长度与车厢底板相同ꎬ位于车体底板下表面的两个燕尾槽之间ꎬ增强了连接部位的横向刚度ꎮ部件３也是铝合金挤压型材ꎬ沿车体纵向等距分布ꎬ部件３通过螺栓与部件１㊁部件２相连ꎬ夹层结构其他结构通过螺栓或铆接的方式与部件３连接ꎮ由于部件１与部件３直接接触并暴露于空气中ꎬ容易发生电化学腐蚀ꎬ并且通过初步静强度计算分析发现ꎬ碳纤维燕尾槽无法满足强度和刚度要求ꎮ因此ꎬ为了避免电化学腐蚀ꎬ需提高连接结构强度ꎮ结构１采用碳纤维复合材料和金属材料共固化的方式ꎬ通过中空吹气成型工艺一体成型ꎮ具体结构如图４所示ꎬ其中深色部位代表铝合金ꎬ浅色部位代表碳纤维复合材料ꎮ图４㊀碳纤维－铝合金燕尾槽横断面示意图２㊀连接结构热应力分析及有限元仿真２.１㊀连接结构热应力理论分析碳纤维－铝合金燕尾槽由碳纤维复合材料和铝合金材料固化成型ꎮ由于两种材料热膨胀系数差异较大ꎬ所以应该对碳纤维－铝合金燕尾槽的热应力进行计算和审核ꎮ碳纤维复合材料单层板是正交各项异性材料ꎬ材料沿纤维方向和垂直纤维方向具有不同的力学性能ꎮ本文以Ｔ３００碳/环氧纤维复合材料为例ꎬ其力学性能参数如表１所示[６]ꎮ表１㊀Ｔ３００碳/环氧纤维复合材料力学性能参数表Ｅ１/ＧＰａＥ２/ＧＰａＧ１２/ＧＰａμ１２α１/(１０－６Ｋ－１)α２/(１０－６Ｋ－１)１８１１０.３７.１７０.２８０.０２２２.５㊀㊀根据表１可得Ｔ３００碳/环氧纤维复合材料的柔度系数矩阵为Ｓ＝１Ｅ１－μ１２Ｅ１０－μ１２Ｅ１１Ｅ２０００１Ｇ１２éëêêêêêêêùûúúúúúúú(１)刚度矩阵Ｑ为Ｓ的逆矩阵ꎬ并且通过坐标转换矩阵求得:Ｔ＝ｍ２ｎ２２ｍｎｎ２ｍ２－２ｍｎ－ｍｎｍｎ(ｍ２－ｎ２)éëêêêùûúúú(２)式中:ｍ＝ｃｏｓθꎬｎ＝ｓｉｎθꎬθ为任意方向与纤维主轴方向的夹角ꎬ逆时针为正ꎮ可以求得任意方向的变换刚度系数矩阵Ｑ＝Ｔ－１Ｑ(Ｔ－１)Ｔꎮ碳纤维复合材料层合板由各单层板按照不同角度和顺序粘结组成ꎬ根据层合板理论碳纤维层合板的热应力理论计算公式为ＮＴＭＴéëêêùûúú＝ＡＢＢＤéëêùûúε０Ｋéëêêùûúú(３)式中:ＮＴ为温度引起的合内力ꎻＭＴ为温度引起的合内力矩ꎻε０为层合板中面应变ꎻＫ为层合板中面曲率ꎻＡｉｊ＝ʏｈ/２－ｈ/２(Ｑｉｊ)ｋｄｚꎻＢｉｊ＝ʏｈ/２－ｈ/２(Ｑｉｊ)ｋｚｄｚꎻＤｉｊ＝ʏｈ２－ｈ２(Ｑｉｊ)ｋｚ２ｄｚꎬ其中(Ｑｉｊ)ｋ为层合板第ｋ层的变换刚度系数ꎮ由式(３)可知ꎬ当已知由温度引起的合内力和合内力矩时ꎬ可以求出层合板的中面应变和中面曲率ꎬ进而可以求得各层的应力和应变ꎮ当只有温度变化时ꎬ单层板主轴方向的应变为εＴ１＝α１ˑΔＴεＴ２＝α２ˑΔＴγＴ１２＝０ìîíïïï(４)由式(４)根据应变的坐标转换关系可以求出任意方向的应变为:εＴｘεＴｙγＴｘｙéëêêêùûúúú＝Ｔ－１ｅεＴ１εＴ２γＴ１２éëêêêùûúúú＝αｘαｙαｘｙéëêêêùûúúúˑΔ(５)αｘαｙαｘｙéëêêêùûúúú＝ｍ２αＬ＋ｎ２αＴｎ２αＬ＋ｍ２αＴ２ｍｎ(αＬ－αＴ)éëêêêùûúúú(６)由式(５)㊁式(６)可求得各单层板任意角度的应力ꎮ因为合内力和合内力矩是由各单层板沿厚度积分而来ꎮ所以由温度引起的合内力和合内力矩计算公式为:Ｎ＝ʏｈ/２－ｈ/２Ｑ ｋαｘαｙαｘｙéëêêêùûúúúｋΔＴｄｚ＝ðｋ(Ｑｉｊ )ｋαｘαｙαｘｙéëêêêùûúúúｋ(ｚｋ－ｚｋ－１)ΔＴ(７)Ｍ＝ʏｈ/２－ｈ/２ＱｋαｘαｙαｘｙéëêêêùûúúúｋΔＴｚｄｚ＝１２ðｋ(Ｑｉｊ )ｋαｘαｙαｘｙéëêêêùûúúúｋ(ｚ２ｋ－ｚ２ｋ－１)ΔＴ(８)对于碳纤维复合材料和铝合金共固化形成的层合板而言ꎬ可将铝合金看作层合板中特殊的一层ꎬ并根据层合板理论进行计算ꎮ６００５－Ｔ６型铝合金的材料参数如表２所示ꎮ表２㊀６００５－Ｔ６型铝合金材料力学性参数表材料牌号Ｅ/ＧＰａμα/(１０－６Ｋ－１)６００５－Ｔ６型铝合金７００.３４２３.５㊀㊀使用Ｔ３００碳/环氧纤维复合材料和６００５－Ｔ６型铝合金的材料参数ꎬ根据层合板理论计算ꎬ铺层角度和顺序为铝合金１ｍｍ＋碳纤维[０ʎ]１０ｓ２ｍｍ＋铝合金１ｍｍ三明治式的层合结构在ΔＴ＝４０ħ时中间层的应变为ε１＝２.６４０８ˑ１０－４ꎬε２＝１.１０ˑ１０－３ꎮ２.２㊀基于有限方法的热应力仿真通过有限元方法对碳纤维复合材料和铝合金共固化形成的层合板进行热应力分析ꎬ首先在有限元分析软件中建立图５所示的碳纤维复合材料－铝合金层合板试件ꎮxy z xyz xyz图５㊀层合板试件尺寸示意图试件铺层角度和顺序与理论计算模型一致ꎬ有限元模型堆叠方式如图６所示ꎮ在有限元软件中对试件设置ΔＴ＝４０ħ的温度场ꎮ划分有限元网格ꎬ网格尺寸设置为２ｍｍꎬ单元类型选择Ｓ４Ｒ单元ꎮＳ４Ｒ单元是４节点四边形有线薄膜应变线性减缩积分壳单元性能稳定适宜各项异性材料[７]ꎮ试件有限元模型如图７所示ꎮ图６㊀层合板试件铺层示意图图７㊀试件有限元模型通过有限元软件仿真分析得到试件的中层的应变为ε１＝２.６４１ˑ１０－４ꎬε２＝１.１１ˑ１０－３ꎮ试件应变云图如图８㊁图９所示ꎮ+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04+2.641e-04E, E11fraction=-0.050000, Layer=6(Avg: 75%)图８㊀ｘ方向应变云图+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03+1.110e-03E, E22fraction=-0.050000, Layer=6(Avg: 75%)图９㊀ｙ方向应变云图由有限元方法得到的中层应变值与理论计算值误差如表３所示ꎬ证明了有限元仿真方法的准确性ꎮ表３㊀理论值与有限元仿真值对比表应变ε１ˑ１０－４ε２ˑ１０－４理论值２.６４０８１.１０仿真值２.６４１０１.１１㊀㊀ε１的误差为０.００７５７％ꎻε２的误差为０.９１％ꎮ３㊀遗传算法的实现与优化３.１㊀遗传算法的实现因碳纤维层合板的模量㊁泊松比㊁热膨胀系数等力学性能受铺层角度㊁铺层顺序的影响ꎬ而且层合板一般由单层板堆叠而成并且各层的铺层角度各自独立ꎬ增加了层合板设计的复杂性ꎮ为了能够对层合板的铺层角度进行合理的设计和优化ꎬＧＨＩＡＳＩＨ等[８－９]总结了遗传算法在层合板铺层优化中的应用ꎮ遗传算法是一种模仿自然界优胜劣汰进化法则的搜索算法ꎬ自从６０年代第一次提出遗传算法的概念到现在ꎬ遗传算法的思想已被人们广泛应用于各个领域[１０]ꎮ碳纤维层合板的优化设计可以采用遗传算法得到有效的解决ꎮ遗传算法主要包括基因㊁个体㊁种群３个概念ꎮ基因用来定义基因类型ꎬ个体用来实现基因的适应度表达ꎬ是基因交叉遗传ꎬ也是基因突变的对象ꎮ种群由多个个体组成ꎬ在种群内对个体进行优胜劣汰ꎮ３.２㊀遗传算法的优化对于碳纤维复合材料层合板的铺层优化问题需要在遗传算法的基础上进行相应的改进ꎬ以提高计算效率ꎮ对层合板而言ꎬ由于各层的铺层角度受制作工艺的影响不可能取任意实数ꎬ在工程应用中常见的铺层角度有ʃ４５ʎ㊁０ʎ㊁９０ʎꎬ因此采用整数浮点型基因ꎮ为了方便计算ꎬ设置基因的上下为[－２ꎬ２]ꎮ层合板个体通过基因串来表现ꎬ如层合板共有１０层ꎬ则个体表现为(ＡＢＣＤＥＦＧＨＩＪＫ)ꎬ其中字母代表一个铺层角度ꎬ每个铺层角度由一个基因决定ꎬ铺层角度等于基因乘以４５ʎꎮ这样就通过基因表达了个体的形状ꎬ并且限制个体的铺层角度只能取(ʃ４５ʎ㊁０ʎ㊁９０ʎ)中的任意一个ꎮ个体适应度设置是遗传算法中最核心的步骤ꎬ针对本文所研究的层合板热应力的问题ꎬ通过Ｐｙｔｈｏｎ语言对有限元分析软件进行二次开发[７]ꎬ将有限元分析的结果作为适应度函数值ꎮ在有限元软件中设置ΔＴ＝４０ħ的温度场ꎬ将连接结构放置于温度场进行计算ꎮ将计算得到的最大应变值作为适应度函数ꎬ遗传算法默认适应度函数值越小个体的适应度越高ꎮ遗传算法在对个体的适应度函数值进行排序时ꎬ是通过调用适应度函数进行计算后再进行排序的ꎮ对于本文来说ꎬ就是通过有限元软件对个体进行一次仿真计算ꎬ如果每次调用适应度值都需要进行一次计算会极大地增加算法运行时间ꎮ所以本文设置了一个储存变量来记录每次有限元分析得到的适应度函数值ꎬ如果后续出现相同基因的个体就不需要进行有限元仿真计算而是直接调动储存变量作为适应度值ꎮ优化后的基于层合板在温度场下的铺层优化遗传算法流程如图１０所示ꎮ４㊀连接结构优化分析４.１㊀磁浮列车车体静强度仿真为了对连接结构进行铺层优化ꎬ首先要对整车模型进行静强度计算ꎬ得到连接结构的边界条件ꎮ图１０㊀优化后的遗传算法流程图建立整车有限元模型ꎬ考虑到车体结构及设备安装沿纵向不具有完全对称性ꎬ为保证计算结果的有效性ꎬ采用完整车体计算模型ꎮ根据车体结构的特点ꎬ将车体结构用薄板组合结构来模拟ꎮ车体中具有明确安装位置及质心的车窗㊁车门以集中质量的形式施加在各自的质心位置ꎬ车门质量０.２１ｔꎬ车窗口质量０.０７ｔꎬ质心为几何形心ꎬ计算模型包括:５５５１０２６个节点和２５８４８５５个单元ꎮ整车有限元模型如图１１所示ꎮzxy图１１㊀整车有限元模型示意图根据静强度载荷和车体边界条件对有限元模型进行静强度仿真计算ꎬ应变㊁应力云图如图１２㊁图１３所示ꎮ可见车体结构满足静强度要求ꎬ可从车体计算结果中提取连接结构的边界载荷ꎮ+6.952e+02+6.373e+02+5.793e+02+5.214e+02+4.635e+02+4.055e+02+3.476e+02+2.897e+02+2.317e+02+1.738e+02+1.159e+02+5.793e+01+1.055e-04S, MisesMultiple section points(Avg: 75%)图１２㊀整车应力云图+8.531e-03+7.589e-03+6.647e-03+5.705e-03+4.763e-03+3,821e-03+2.880e-03+1.938e-03+9,959e-04+5.399e-05-8.879e-04-1.830e-03-2.772e-03E, Max. In-Plane Principal Multiple section points (Avg: 75%)图１３㊀整车应变云图４.２㊀子模型法提取连接结构使用遗传算法对连接结构进行铺层优化需要对连接结构进行上千次的建模和计算ꎮ如果每次都对整车模型进行计算ꎬ计算量极大ꎬ甚至难以实现ꎮ同时ꎬ为了更加准确地得到连接结构的边界载荷ꎬ本文采用子模型法从整车模型的计算结果中提取连接结构的边界条件ꎬ作为连接结构的边界载荷ꎬ随后仅针对连接结构进行优化设计ꎮ子模型法的分析过程包括以下步骤:１)建立全局整车有限元模型ꎬ定义整车模型的边界条件和工况条件ꎬ将连接结构单独分组便于后续操作ꎬ计算整车模型ꎻ２)检查整车模型的计算结果ꎬ避免在子模型边界区域出现不合理的现象ꎻ３)建立子模型ꎬ为了保证子模型的边界与全局模型对应的位置在单元尺寸和节点编号上保持一致ꎬ本文直接将整车模型除连接结构外的其他单元删除ꎬ只保留连接结构作为子模型ꎻ４)给子模型施加边界条件ꎬ在子模型的载荷模块选择子模型ꎬ自由度选择６个自由度ꎬ然后在模型属性中设置读取整车模型的计算结果ꎻ５)运算子模型ꎬ得到子模型计算结果ꎮ４.３㊀连接结构铺层优化通过子模型法ꎬ采用Ｐｙｔｈｏｎ联合有限元分析软件ꎬ以铺层角度作为变量ꎬ结构最大应变值作为优化目标ꎬ通过上文的遗传算法对连接结构进行铺层优化ꎮ为了更加直观地展示优化过程ꎬ以种群平均适应度函数值为纵坐标ꎬ以进化代数作为横坐标ꎬ得到种群进化过程如图１４所示ꎮ0.004 20.004 00.003 80.003 60.003 40.003 20.003 00.002 80.002 605101520E.4 E图１４㊀遗传算法优化过程图由图１４可知ꎬ随着迭代代数的增加ꎬ种群平均适应度函数值从０.００４２逐渐下降到０.００２７ꎬ即连接结构的最大应变从０.００４２下降为０.００２７ꎬ降幅达３５.７％ꎮ得到的最优铺层设计为[０/－４５/０/４５/０/４５/－４５/９０/－４０/０]ｓ２ꎮ５㊀结语１)对磁浮列车碳纤维车厢与铝合金夹层结构的连接结构进行设计ꎬ采用中空吹气成型工艺共固化成型碳纤维－铝合金燕尾槽ꎮ２)对碳纤维－铝合金层合板在ΔＴ＝４０ħ时的热应力从理论和仿真角度进行分析:理论分析值为ε１＝２.６４０８ˑ１０－４ꎬε２＝１.１０ˑ１０－３ꎬ有限元仿真值为ε１＝２.６４１ˑ１０－４ꎬε２＝１.１１ˑ１０－３ꎮ３)采用有限元仿真结果作为适应度函数ꎬ设计了基于连接结构铺层优化的遗传算法ꎬ并对算法进行优化提高计算效率ꎮ４)对磁浮列车进行静强度分析得到整车的计算结果ꎬ采用子模型法提取碳纤维－铝合金燕尾槽结构的边界载荷对其进行单独分析ꎮ５)采用本文设计的基因遗传算法对碳纤维－铝合金燕尾槽结构进行铺层优化ꎬ优化后的最大应变为０.００２７ꎮ最优铺层角度为[０/－４５/０/４５/０/４５/－４５/９０/－４０/０]ｓ２ꎮ参考文献:[１]蔡继文ꎬ贡智兵ꎬ陶杨洋.基于ＡＢＡＱＵＳ的碳纤维复合材料轨道车辆车门设计[Ｊ].机械制造与自动化ꎬ２０２０ꎬ４９(６):１２４￣１２７.[２]王明猛ꎬ肖守讷ꎬ阳光武ꎬ等.碳纤维复合材料在高速列车头罩上的应用研究[Ｊ].电力机车与城轨车辆ꎬ２０１５ꎬ３８(增刊１):５３￣５７.[３]沈真ꎬ张晓晶.复合材料飞机结构强度设计与验证概论[Ｍ].上海:上海交通大学出版社ꎬ２０１１.[４]赵峻峰ꎬ李三平ꎬ李强.民用飞机机体结构静强度验证[Ｊ].民用飞机设计与研究ꎬ２０２０(２):１￣５.[５]王培吉ꎬ范素华.纤维复合材料的热膨胀系数[Ｊ].复合材料学报ꎬ２００２ꎬ１９(３):１２４￣１２６.[６]陈建桥.复合材料力学[Ｍ].武汉:华中科技大学出版社ꎬ２０１５.[７]张强ꎬ马永ꎬ李四超.基于Ｐｙｔｈｏｎ的ＡＢＡＱＵＳ二次开发方法与应用[Ｊ].舰船电子工程ꎬ２０１１ꎬ３１(２):１３１￣１３４.[８]ＧＨＩＡＳＩＨꎬＰＡＳＩＮＩＤꎬＬＥＳＳＡＲＤＬ.ＯｐｔｉｍｕｍｓｔａｃｋｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｐａｒｔＩ:ｃｏｎｓｔａｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓｄｅｓｉｇｎ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ２００９ꎬ９０(１):１￣１１.[９]ＧＨＩＡＳＩＨꎬＦＡＹＡＺＢＡＫＨＳＨＫꎬＰＡＳＩＮＩＤꎬｅｔａｌ.ＯｐｔｉｍｕｍｓｔａｃｋｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓＰａｒｔＩＩ:Ｖａｒｉａｂｌｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｄｅｓｉｇｎ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ２０１０ꎬ９３(１):１￣１３.[１０]余有明ꎬ刘玉树ꎬ阎光伟.遗传算法的编码理论与应用[Ｊ].计算机工程与应用ꎬ２００６ꎬ４２(３):８６￣８９.收稿日期:２０２１０３０４。
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(I)--适应车体设计的参数化有
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第3期
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复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(III)
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟（III）【摘要】本文主要研究了复合材料磁悬浮列车车体结构的数值模拟，通过引入磁悬浮技术和复合材料材料，提出了一种新的车体设计方案。
在首先介绍了复合材料磁悬浮列车车体结构的设计原则和要求，然后详细介绍了数值模拟方法和模拟结果分析，进一步给出了针对优化设计方案的建议和仿真验证结果。
结论部分总结了本研究的发现和创新点，展望了未来在复合材料磁悬浮列车领域的发展前景，以及指出了未来研究的方向和重点。
通过本研究，可以为复合材料磁悬浮列车的设计和优化提供参考和指导，推动该领域的发展与创新。
【关键词】复合材料、磁悬浮列车、车体结构、数值模拟、设计、方法、结果、分析、优化、方案、仿真验证、研究总结、展望未来、创新点。
1. 引言1.1 背景介绍磁悬浮列车是一种利用磁力悬浮和感应电动力推进的高速列车，具有无轨道摩擦、高运行速度、低振动噪音等优点。
随着科技的不断进步，磁悬浮列车的技术也在不断完善和发展。
车体结构作为磁悬浮列车的重要组成部分，直接关系到列车的安全性、运行稳定性和舒适性。
传统的磁悬浮列车车体结构多采用金属材料制造，但金属材料存在结构重量大、疲劳性能差等问题，限制了磁悬浮列车的发展。
为了解决这些问题，近年来开始将复合材料应用于磁悬浮列车车体结构中，复合材料具有质量轻、强度高、疲劳性能优异等优点，能够更好地满足磁悬浮列车对结构轻量化和耐久性的要求。
本研究旨在通过数值模拟的方法对复合材料磁悬浮列车车体结构进行优化设计，探讨其在提高列车运行效率、减轻结构重量、增强耐久性方面的潜力，为磁悬浮列车的发展提供技术支持和创新思路。
1.2 研究意义磁悬浮列车是一种新型的交通工具，具有高速、低能耗、环保等优点，受到人们广泛关注。
而在磁悬浮列车的车体结构中，复合材料的应用正变得越来越普遍。
复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优势，能够更好地满足磁悬浮列车对于轻量化、高强度的要求。
研究复合材料磁悬浮列车车体结构的数值模拟意义重大。
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(III)
复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟（III）
以日本磁浮列车为例，其车体主要由碳纤维增强复合材料制成。
碳纤维具有轻质、高
强度、高刚度等优良的性能，使得车体具有更高的刚度和更轻的重量。
同时，碳纤维的热
胀系数小，能够有效地降低高速行驶时由于高温和低温带来的材料疲劳，从而提高了磁悬
浮列车的安全性能。
二、数值模拟分析
为了研究复合材料在磁悬浮列车车体结构中的性能表现，本文采用有限元分析方法进
行数值模拟。
首先，利用 SolidWorks 软件建立磁悬浮列车车体模型，并将其中的部分结
构采用碳纤维增强复合材料进行材料替代。
接着，将车体结构进行网格划分，选择 ANSYS Workbench 软件对其进行有限元分析。
对于静态分析，将车体结构设置成一个固定支撑，施加较大的负载，运用 ANSYS Workbench 软件计算车体结构的位移和应力分布等参数。
结果表明，在相同负载情况下，
使用复合材料制造的车体结构相比传统的金属结构有更小的形变和更均匀的应力分布，具
有更高的刚度和更强的载荷承载能力。
三、结论
综上所述，复合材料在磁悬浮列车车体结构中具有广泛的应用前景和优越的性能表现。
在磁悬浮列车车体结构的设计与制造中，应逐渐增加复合材料的应用比例，以提高车体的
性能和安全性能。
本文的数值模拟方法为研究车体结构的性能提供了一种有效的手段，但
仍需要进一步的实验验证，以保证车体结构的可靠性和安全性。
超导磁悬浮列车模型设计
超导磁悬浮列车模型设计
黄昊舟;刘海生;王玉鑫
【期刊名称】《华北科技学院学报》
【年(卷),期】2009(6)2
【摘要】根据磁悬浮和超导工作原理,设计了一台低温超导体磁悬浮列车模型,在摄氏零下二百多度的液态氮环境中,列车不但可以在具有磁束缚的封闭磁轨道上悬浮或在磁轨道下方倒挂"悬浮",还能够沿着一条60cm左右的直线轨道以悬浮状态无摩擦地运转.
【总页数】3页(P75-76,83)
【作者】黄昊舟;刘海生;王玉鑫
【作者单位】华北科技学院,基础部,北京,东燕郊,101601;华北科技学院,基础部,北京,东燕郊,101601;华北科技学院,基础部,北京,东燕郊,101601
【正文语种】中文
【中图分类】O511+.9
【相关文献】
1.美国超导磁悬浮列车开发设计的现状 [J], 大崎博之
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5.复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟(Ⅰ)——适应车体设计的参数化有限元模型 [J], 王人鹏;周勇;程玉民
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高速磁浮列车搭接结构悬浮系统仿真分析
高速磁浮列车搭接结构悬浮系统仿真分析
王志强;龙志强;李晓龙
【期刊名称】《西南交通大学学报》
【年(卷),期】2024(59)3
【摘要】为模拟高速磁浮列车悬浮系统运动过程并分析不同条件下的系统响应,本文围绕悬浮系统建模、控制器设计和仿真分析展开研究.首先,介绍以搭接结构为基本单元的高速磁浮列车悬浮系统的基本结构与工作原理,通过机理分析方法构建理想情况下的悬浮系统数学模型;然后,对悬浮系统模型进行合理简化,并针对简化模型设计标称控制器;最后,仿真验证了标称控制器的控制效果,并对比分析仿真和实验条件下永磁电磁混合悬浮系统的起浮降落过程.研究结果表明:仿真得到的悬浮间隙、悬浮电流等物理量的变化情况与实际系统的变化趋势吻合,稳态时误差小于5%.【总页数】10页(P590-599)
【作者】王志强;龙志强;李晓龙
【作者单位】国防科技大学智能科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
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磁浮列车碳纤维车厢与铝合金夹层结构连接结构设计与优化
磁浮列车碳纤维车厢与铝合金夹层结构连接结构设计与优化李戈辉;杨冰;肖守讷;阳光武;朱涛;王明猛;陈东东
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2022(51)4
【摘要】某型号磁悬浮列车车厢采用碳纤维复合材料,夹层结构采用铝合金,由于两种材料之间存在较大的电位差,易导致机械连接结构发生电化学腐蚀,进而引起连接结构破坏。
因此采用共固化的方式对其连接结构进行设计。
因碳纤维和铝合金热膨胀系数不同,为缓解温度引发的共固化连接结构内应力,从理论和仿真两个角度对连接结构的热应力进行了分析,并采用基因遗传算法对连接结构的铺层角度进行了优化。
优化后连接结构最大应变下降了35.7%。
【总页数】5页(P30-34)
【作者】李戈辉;杨冰;肖守讷;阳光武;朱涛;王明猛;陈东东
【作者单位】西南交通大学牵引动力国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U270.2
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复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟（III）
磁悬浮列车是一种利用磁力原理来实现悬浮运行的新型交通工具。
由于磁悬浮列车的运行速度较快，车体结构对列车的性能和安全性有着重要影响。
对磁悬浮列车车体结构进行数值模拟分析，能够为车体设计和优化提供重要参考。
2. 数值模拟方法
数值模拟是利用计算机对物理现象进行建模和计算的方法。
在磁悬浮列车的车体结构数值模拟中，常用的方法有有限元法和计算流体力学法。
2.1 有限元法
有限元法是一种通过将结构分割成离散的有限元，以及在每个有限元上进行单元分析的方法。
在磁悬浮列车车体结构数值模拟中，可以将车体结构分割成多个有限元，然后对每个有限元进行应力分析和变形计算。
有限元法能够较准确地计算出车体结构的应力和变形情况，为车体设计和优化提供重要参考。
2.2 计算流体力学法
计算流体力学是一种通过对流体流动进行数值模拟的方法。
在磁悬浮列车车体结构数值模拟中，可以通过计算流体力学方法模拟列车在高速运行中的空气动力学效应，例如风压和气动力。
计算流体力学法能够较准确地预测列车在高速运行时的气动效应，并为车体设计和优化提供参考。
3. 数值模拟应用
通过数值模拟分析，可以对磁悬浮列车车体结构进行应力分析、变形计算和气动力预测，为车体设计和优化提供参考。
具体应用包括以下几个方面：
3.1 车体结构强度分析
通过有限元法对磁悬浮列车车体结构进行强度分析，可以计算出车体结构在不同载荷情况下的应力分布情况，进而评估车体结构的强度和刚度。
这对车体的结构设计和优化非常重要。
3.2 车辆动力学分析
通过数值模拟分析，可以对磁悬浮列车在高速运行时的动力学性能进行预测。
具体包括加速度、速度和位移等参数。
这对列车的运行速度和安全性有着重要影响。
3.4 车体气动优化
通过计算流体力学方法对磁悬浮列车的车体气动效应进行模拟和分析，可以评估不同车体形状和流场参数对列车的气动性能的影响。
通过优化车体形状和流场参数，可以减小列车的气动阻力，提高列车的运行效率。
4. 研究进展与前景
目前，磁悬浮列车车体结构数值模拟已经取得了一定的研究进展。
随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的不断完善，磁悬浮列车车体结构数值模拟将有更大的应用前景。