CRH3型车体结构

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高寒地区列车车体隔热系数计算方法汇总

一、车体结构

根据资料查询，我国列车分为普速列车、快速列车系列、高速列车（CRH）系列。现取CRH380BL予以说明列车结构。由CRH380B经由需求而改制性能的型号。在查询相关资料后，我们将车体传热的部分划分为以下部位：（车头部位不予传热考虑）

（CRH3系列中间车车体结构分析图）

分析部位即：端墙、侧墙、底架、车顶

1.1车顶

车顶结构：车顶结构由大型中空铝合金拼焊而成，把车顶组装成一个单元，在安装完大型车内设备后，再与其他车体构架焊在一起；车顶端部设加强结构，它由横梁、纵梁、盖板等构成。

1.2侧墙

侧墙：由大型中空铝合金拼焊而成，在型材内侧有T型槽或L型导轨，用来安装内装件或设备；附件的生根方式有粘接、铆焊和焊接等；其铆接的吊码与侧墙之间有塑料垫板，具有减震的功能。侧墙上有开口，用于固定车床、车门柱、车门安装托架等也是侧墙的一部分。

1.3端墙

端墙：主要由四部分组成：门框、角柱、端墙板和端

墙附件组成。端墙用防寒材需要一种具有良好性能的

耐火矿物防寒材（岩棉）。

在车顶横梁下焊接内端墙，其与端部车顶、底架通

过台部分形成整体承载框架结构，增加整车刚度。1.4底梁

底粱：主要由支持车体重量和转向架相接的枕梁；传达前后方向里的侧梁、端梁、中梁；支持客室设备和乘客等并吊装地板下机械部分的横梁几大部分组成。

一、车体各部分传热系数计算

考虑到高寒地区气温较低，需考虑温度对材料传热系数的影响，详见附表一。

将不同部位视作多层平壁进行计算

∑=++=

n

i w

t t n K 111

1

αλδα

式中：

为车体内侧换热系数，

；

为车体隔热壁中某层材料的厚度，m ； 为车体隔热壁中材料的导热系数，;

为车体外侧换热系数，

。

对静止列车，参照相关标准，内表面换热系数取，外表面换热系数

取16。

参考车体各部分材料见附表二，部分材料传热系数见附表三。

门窗结构较为简单，K 值可通过实验测得。如由于现有条件不满足实验测量，可按单层平壁进行计算。

三、车厢整体的传热系数计算

3.1视为一维非稳态，忽略冷热桥的作用

计算Re ，判断其是否为重力起作用的有限空间自然对流，从而决定是否采用boussinesq 假设进行计算，忽略P 变化引起的密度变化，只考虑温度变化引起的密度变化。同时忽略辐射换热。 将列车整体，围护结构简化为多层平壁进行计算，根据车体内的导热和壁面的对流换热的特点，进行传热计算，得到传热系数K 值。

∑=++=

n

i w

t t n K 1111

αλδα

根据车厢各部分的K 值，可求得整车的平壁K 值K P ：

∑∑===

n i i

n

i I

I

P A

A K

K 1

1

3.2考虑冷热桥作用

由于车体连接形式比较复杂，隔热层处会出现断点，导致热桥的出现，使车体传热出现

不均匀性，一维稳态多层平壁传热计算已不能满足精确度，因而必须对热桥进行传热分析。

车体各部分壁面自外向内一般分为3层：车体、隔热层、内饰件．在内外壁之间经常有穿透螺栓、结构槽钢等热桥构件．由于热桥结构的复杂性，在计算车体K 值时，可先按无热桥的平壁结构计算各部分车体的传热系数，然后按照热桥的影响性，对车体K 值进行修正．

热桥可以通过热工计算、模拟测试或者实测得出定量的结果。现在已有一些计算机模拟软件，可以显现出在不同条件下热桥部位的温度与热流状况。

（1）根据中国铁标算法， P S K K K = 未给出具体修正系数

（2）由网络上查询的某动车生产企业内部经验公式：P S K K K +=,K S 取值固定为1。 （3）根据日本标准算法，考虑热桥影响时，对除窗户外的各部分平壁K 值乘以安全系数2，再求得整车的平壁K 值。

（4）热桥可以通过热工计算、模拟测试或者实测得出定量的结果。现在已有一些计算机模拟软件，可以显现出在不同条件下热桥部位的温度与热流状况。

通过修正系数计算热桥，无法判断数据的准确性，故最好采用模拟测试或实测得出定量结果。

3.3考虑列车运行状态 3.3.1静止状态

列车静止时，传热系数按上述计算。 3.3.2列车运行

列车运行时，需考虑外部空气对流换热。

由铁标可知，车厢壁外表面空气对流传热系数：66

.05.39V

+=α

V:列车运行速度，单位km/h α：单位：W/(m 2·K)

运行过程中，内壁传热系数不变，根据此边界条件进行计算，得到K 值。 3.3仿真计算法

随着计算机技术的发展，可以采用有限元计算法，对列车车体的热桥结构单独建立模型计算，可以准确反映出热桥结构的复杂传热过程，精确计算热桥结构处的传热系数[5-7]，并分析其对车体传热的影响．

本文用ANSYS 有限元软件对该动车组车体中的热桥结构进行模拟计算．以铝合金地板区域槽钢热桥结构为例说明模拟计算过程，其他热桥结构模拟不再一一列举．

首先建立传热模型(图2)，然后划分网格，设定边界条件并计算．图3为计算得到的热流密度场．热桥中心处的热流密度最大，由热桥中心向周围热流密度逐渐趋向正常平壁热流密度．以平壁的热流密度作为基准．

当热桥周围某点处热流密度与正常热流密度相差3 时，即把该点作为分界点，根据对称性，以热桥中心到该点的距离作为半径的圆面积即为热桥影响面积．此热桥结构的影响半径为0．18 m ，车体地板共有该结构120个．

热桥影响区域内，平均热流密度通过对各节点的热流密度值积分得到：

s

ds

q q n

l

i i ∆=

⎰

式中： q i 为热流密度W/m 2 ； s ∆为面积m 2，