(完整word版)地铁车体轻量化报告

城市轨道交通车辆结构与原理
课程设计
学院：城市轨道交通学院
系（教研室）：车辆工程系
课程名称：城市轨道交通车辆结构与原理
课程代号：100135
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学号：*********
上海工程技术大学
城市轨道交通学院
2015年6月
城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算
目录
1 概述 (1)
2 总体技术条件 (1)
2.1 任务 (1)
2.2 技术条件 (1)
2.3 总体方案 (4)
（附每个人的设计内容简述） (7)
3 个人具体分工项目 (7)
4 设计方案 (8)
4.1 总体理念........................................................................................... 错误!未定义书签。

4.2尺寸设定............................................................................................ 错误!未定义书签。

5 工艺分析 (8)
5.1 材料选定........................................................................................... 错误!未定义书签。

5.2焊接处理............................................................................................ 错误!未定义书签。

6 强度校核 (10)
6.1车顶强度校核 14
6.2新材料车体强度校核 14
7 总结 (12)
8 结后语 (12)
9 参考资料 (13)
10 附件：设计图 (13)
11 组内分工 (13)
车体轻量化设计
姓名潘汪洋学号 101112215
1 概述
随着国内外城市轨道交通的迅速发展，城市轨道交通已经成为城市轨道交通系统的主动脉，人们对地铁列车安全性和舒适性等方面的要求也越来越高。

而车体是地铁车辆的主体部分，适当减轻车体、附属设备的质量不仅可以节约原材料减少加工时间，更有利于提高车辆的动力性能和减少建造成本。

因此，在保证安全性和可靠性的的前提下，实现轻量化是地铁车辆设计的重要目标之一，也是城轨发展的大势所趋。

车辆自重减轻可以降低运行阻力，节省牵引以及制动需要的能量，减少车辆和轨道的维护成本，直接减少建造车辆使用的材料。

因而，车体轻量化是城市轨道交通发展的趋势。

2 总体技术条件
2.1 任务
城市轨道交通车辆的主体部分是车体。

为了确保列车安全、准时、可靠地运行，对列车车体强度有相关指标规定。

因此车体轻量化也要在确保其在各项要求的范围内，既减轻车体重量又能保证列车正常运行和乘客乘坐安全。

本设计旨在采用先进的设计实现车体轻量化的同时，为司乘人员提供最安全和最舒适的乘坐环境，既节省能源、降低维修成本又能提供最大的使用率和可靠性。

2.2 技术条件
线路特征：
线路为全隧道
车辆参数
车辆特征：车型为A型车，车种为M车（无受电弓带空调的动车），一端为半永
久牵引杆,另一端为半自动车钩。

车身和底架结构：镁合金，泡沫铝合金
车体的静态抗压强度为： 1200 KN
2..2.1车辆尺寸
带车钩的车辆长度： 22.8m
车辆最大高度(车顶到轨道表面): 3.805m
车辆最大宽度: 3.0m
地板面距轨面高: 1,130mm(新轮)
转向架中心距离: M =15.7m
转向架:
轴距: 2.5m
新轮: 840mm
磨耗轮: 770mm
乘客通过门:
滑动外推式电控车门: 每边5个
宽度,最小净开度: 1,300mm
高度,净开: 1,950mm
门的开关时间由微处理器进行调整.
乘客车厢车窗
双层玻璃，带颜色的，一整块长的位于两个门柱之间。

乘客载荷：
♦舒适载荷 AW1：满座
♦额定载荷 AW2：6人/m2
拥挤载荷 AW
：9人/m2
3
2.2.2.1车体下方悬吊装置
2.2.2.2 车体其他装置
2.2.3列车动态参数
车速：
最高运行速度： 120 km/h
运行电压： 1500 V DC
最大电压： 1800 V DC
最小电压： 1000 V DC
牵引工况：
在1,500 VDC，干燥平直轨道以及AW2载荷下（如：6人/m2）：
初始加速度： 0.97 m/s2 （0 – 35 km/h）
计算的粘着限制： 16 %
平均加速度：0.6 m/s²（0 – 120 km/h）
制动模式下的工况：
在干燥、平直轨道以及AW3载荷下（如：9人/m2）：
平均常用减速度： 1 m/s²
瞬间减速度： 1.11m/s²
最大冲动极限： 0.75 m/s3
平均紧急减速度： 1.2 m/s²
（注：平均紧急减速度－列车制动前速度120km/h与从司机按下紧急制动按钮到列车停止这一过程时间的比值）
瞬间紧急减速度： 1.3 m/s²
瞬间快速制动减速度： 1.3 m/s²
最大粘着限制： 15 %
2.2.4列车寿命
本车辆的使用寿命至少为30年。

在以下条件下，车辆的寿命不予保证：车辆用于客运以外的目的；
维修工作没有按照维修手册执行；
在产生较大故障时没有按车辆设计者的建议进行修理。

2.3 总体方案
城市轨道交通车体主要由车顶、端墙、底架、底板、侧墙、内饰等构成。

内饰又包括：吊环、栏杆、座椅等。

碳纤维材料构成的整体承载结构是车体的骨架，它承受车体的自重以及运行时的各种载荷以及各种辅助设备的重量，是车体结构的主要部分。

而车体内部设施的轻量化应保证在车辆运行过程中能够承受各种载荷而不变形。

我们从结构和材料两方面进行车体的轻量化设计。

由于地铁列车载客量大且不定的情况下，其总体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料，在设计城轨车体时，对车体构件和内部装饰所用材料的基本要求为：应具有构件所要求的高强度和刚性，重量轻、耐老化、耐污染、耐磨耗、耐腐蚀等特性，适用于提高舒适度。

目前城市轨道交通车体采用的材料为：车辆专用经济形不锈钢和铝合金，我们对比了多种材料以后最终选取了铝合金和新型材料两种方案进行设计。

方案一：铝合金材料
铝合金材料密度低,而且强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业上广泛使用,使用量仅次于钢。

铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能,物理性能和抗腐蚀性能。

铝合金材料优点颇多，应用范围广，也是现在城市轨道交通车辆多采用的材料，所以我们选用铝合金材料。

方案二：新型材料（加入碳纤维的内容）
镁合金的比强度要高于铝合金和钢、铁，其比刚度与铝合金和钢相当，在使用金属结构材料中其比重最小，这一特性对车辆减少能耗、轻量化具有非常重要的意义。

镁合金具有极好的吸收能量的能力，可吸收震动和噪音，保证车辆能安静运行，镁合金的阻尼性比铝合金大数十倍，减震效果很显著。

其抗冲击能力是塑料的20倍，当镁合金铸件收到冲击时其表面产生疤痕比铁和铝都要小得多。

具
有尺寸稳定和铸模生产率高、机械加工性能好的特点。

镁具有很好的耐腐蚀性和高的散热性、再生性。

另外，镁合金还具有抗疲劳性、无毒性、无磁性和较低的裂纹倾向性、不易破裂性等特点。

结构方面（总体装备图）
图1：总体方案设计图
（附每个人的设计内容简述）
车体内饰布置图
3.1座椅
座椅采用竖排布置，布置在两个车门之间，靠墙的窗下方。

通过将椅背去除，将内部镂空，同时采用新材料实现轻量化。

3.2栏杆扶手
一组扶手固定在座椅的上方。

另一组扶手固定在地板的中央。

（平行于侧墙）。

通过优化栏杆的形状，同时采用新材料来实现轻量化。

3.3天花板
天花板为自我支撑结构。

其原材料为铝制结构，通过采用新型材料，减轻天花板的重量来实现轻量化。

3 个人具体分工项目
轨道交通车体车顶设计
4 设计方案
4.1总体理念（从廖爱华给我们的资料中抄下来）
车顶由两条块纵向中空型材上悬梁组成，它们构成了纵向的构件和
车顶自身。

所有这些纵向断面均为铝合金材料。

由于车体为带空调无受电弓的M车，车顶应留有安装空调单元（凹
入部分都由机械焊接镁合金制成）。

考虑到维修人员爬上车顶进行空调和受电弓的维修，车顶可承受以
下作用力：
（1）在一个200 cm2的区域内的1000N的垂向作用力
（2）2个相距500mm的，单个作用于400cm2区域的1000N垂向作
用力。

4.2尺寸设定
（1）由于车型为A型车，宽为3.0米。

为了减小空气阻力因此
采用流线型设计，同时有利于排水，横截面为弧形。

但为了和
侧墙的上梁贴合，横截面两端的曲线为垂线。

（2）由于带车钩的车长为22.8米，因此车顶的纵向长度为22
米。

（3）当前城轨列车部件为维修方便，多采用模块化设计。

因此
车顶两端留有空调安装座。

安装座深度为0.3米。

5 工艺分析（可以涉及材料焊接、铆接的内容）
较低且杨氏模量和屈服强度尚佳的镁合金材料。

5.2焊接处理
5.2.1镁合金的焊接技术背景
一般来说,钨极惰性气体保护电弧焊( GTAW ΠTIG) 和熔化极惰性气体保护电弧焊( GMAW Π MIG) 是镁合金常用的焊接方法。

此外镁合金还可以采用电阻点焊(RSW) 、摩擦焊( FW) 、搅拌摩擦焊( FSW) 、激光焊(LBW) 、电子束焊( EBW) 等工艺进行焊接。

由于镁的比热容和熔化潜热小,因此焊接时要求的输入热量少而焊接速度高。

大多数情况下,镁合金件可采用熔化焊,如电弧焊、激光焊、电子束焊和气焊等方法进行焊接。

5.2.2车顶的镁合金焊接方法
镁合金钨极氩弧焊[1]
钨极氩弧焊是目前焊接镁合金最常用的焊接方法 ,它是在惰性气体的保护下 ,利用电弧热熔化母材和填充金属。

直流电源焊接时要采用反极性接法 ,以便利用阴极雾化作用破坏、除去母材表面上的氧化膜 ,减少或避免焊缝中的氧化物夹杂。

氩弧焊的热影响区尺寸及变形比较小 ,焊缝的力学性能和耐腐蚀性能也比较高。

5.2.3焊接要求
卖方应按照ALSTOM质量工艺或等同的工艺制造，即满足标准EN 729中的第1到第4部的要求。

焊工和操作工人的操作资格应满足标准EN 287的第1到第2部的要求，以及标准EN 1418的要求。

5.2.4组装质量
组装质量应满足标准EN288的第1到第8部的要求。

焊接应按照ALSTOM BCN工厂的内部工艺执行。

5.2.5焊缝的控制
对缺陷的验收准则由标准EN 25-817（ISO 5817）和EN 30-042（ISO 10042）给定。

焊缝检查依事先制订的检查计划进行。

其中规定控制和检查的性质、范围、参考标准、控制范围。

在第一个制造阶段开始前，这个检查计划将交给买方。

•肉眼检查依EN 970标准进行；
•干渗透检查依 EN 571-1标准进行；
•X光检查依ISO 1106-1与ISO 2437标准进行。

6 强度校核
6.1车顶强度校核
6.1.1校核标准
（1）在一个200 cm2的区域内的施加1000N的垂向作用力，最大应力小于镁合金强度（250Mpa）
（2）2个相距500mm的，单个作用于400cm2区域的1000N垂向作用力，最大应力小于镁合金强度（250Mpa）
6.1.2校核结果
（1）
由图可知，最大应力为0.21Mpa，小于200Mpa，校核通过（2）
由图可知，最大应力为0.5Mpa，小于200Mpa，校核通过。

6.2新材料车体强度校核
6.2.1材料参数设定
6.2.2 mesh的分割
6.2.3 load加载
6.2.4形变图的显示
6.2.5 对比校核标准
7 总结
在进行车顶的建模时，一开始我将空调的模型也做了上去。

但是后来发现空调应该以附加载荷的方式加入，遂将模型去除，在原位置挖槽，设计为空调的安装座。

在进行新材料车体的校核时，由于对NASYS软件的不熟悉，操作过程中遇到了各种各样的困难。

首先是在系统error说有干涉，我只能将模型重新交给张飞翔返工，在排除了所有干涉后再开始校核。

但是随后的校核也不是一帆风顺的，随后系统一下次出现了3个error。

第一次error貌似是说网格质量不高，我在廖爱华老师的指导下把relevance center 由coarse改为medium。

第二个error说无法对两个侧墙进行mesh的分割，廖爱华老师说是由于机房的软件版本是教学版的缘故，让我们回去重下一个版本。

于是我们回到寝室使用自己下载的workbench12.0后这个error果然再也没有出现。

第三个error说由于两个底架侧梁的结构复杂，当前的网格化设置无法满足要求。

提示我可以将sizing中的behavior由soft改为hard，随后我按照CAE论坛中的建议将element size设定为150mm。

最终在排除了所有error后校核成功了，但是可能由于车体结构或软件版本上的一些问题吧，车体的应力图无法正确显示，这也算是一个最大的遗憾吧。

8 结后语
此次课程设计对我来说无疑是一个双重的考验。

首先我作为组长，为了避免在别的组当中普遍存在的一部分人全程划水，一部分人全程忙死的情况，如何将全组的所有同学调动起来是我最大的一个任务。

在具体的实践中我发现，首先是任务的分配要合理，并符合每一位组员的特点。

即根据每一位组员的特长委派任
务，给组员委派无力完成的任务是会损伤组员的工作积极性的。

第二是组长应起到绝对的带头作用，在对待课程设计的态度上应给全组一个示范。

随后，我们组的课题是车体轻量化设计计算。

在设计前期，我在知网上查询了很多关于车体轻量化的论文，对轻量化的含义和流程有了一个大致的了解。

原本我以为，这个课题相对于别的组会较为简单。

但是在实际的操作过程中，尤其是后期的强度校核过程中却是困难重重。

当面对全英文的校核软件，英语不算差的我也必须一边手拿字典一边学习软件。

在整个过程中，虽然遇到很多困难，但收获也是颇多的。

最大的收获是：对于课程设计，能从陌生转变到基本了解整体流程，懂得如何按规范逐步完成项目内容，如何合理分工、逐级设计等。

经历了这整个流程，使我对设计项目的确立和完善有了一定的认识。

而且这样系统的训练是能将过去所学过的所有的知识综合起来，并且能扩展更多以往我所不了解的知识，因此我很珍惜这次锻炼的机会，同时我也尽我的全力认真的去完成这门课程。

当然，在此过程中，也让我认识到及时沟通交流的重要性，要及时的请教老师不懂得问题，组员与组员之间也要能够及时准确的沟通。

对于拥有8个成员的我们小组而言，组员之间的讨论、分工、协调，都对整体课程设计起着重要影响，这也加深了我们的团队理念。

回顾这段时间的课程设计，以及我所收获到的知识和经验，相信这将成为我大学生涯的一段宝贵的经历。

9 参考资料
[1] 文永蓬.城市轨道车辆结构与原理
[2] 李小波,城市轨道车辆专业英语
[3] 朱鹏飞,北京地铁车辆轻量化设计研究
[4] 王玉艳，孙丽萍，王晓伟，基于ANSYS的客车车体的轻量化技术及其应用
[5] 耿成邦地铁车辆耐候钢车体轻量化设计与可行性，经济性分析
[6] GBT 7928-2003 地铁车辆通用技术条件
10 附件：设计二维图和三维图
11 组内分工。