高速列車車廂夾層結構優化設計現狀研究

甘代偉

（陜西國防工業職業技術學院，陜西戶縣710302）

專論綜述

高速列車車廂夾層結構優化設計現狀研究

甘代偉

（陜西國防工業職業技術學院，陜西戶縣710302）

高速列車車廂夾層結構優化設計已成為新的科研發展方向。綜述了高速列車車廂輕量化、結構優化、抗撞擊性能、聲學性能、多目標優化等方面的研究，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；夾層結構優化設計

根據高速列車的發展可知，高速列車有以下幾個發展趨勢：（1）高速列車的運行速度越來越高，我國正在不斷開發350 km/h及以上速度的高速列車；（2）車廂結構不斷追求輕量化，以節約能源；（3）車廂結構剛度越來越好，以保證車廂乘坐舒適性。國外對高速列車車廂結構的研究始于上世紀60年代，典型的有日本、德國、法國等國家。國內的高速列車型號主要有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5.本文綜述了國內外高速列車車廂輕量化、結構優化、抗撞擊性能、聲學性能、多目標優化等方面的研究，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構優化設計的研究現狀

隨著列車運行速度的提高，輕量化非常重要，綜合起來，實現結構的輕量化有三種途徑：（1）使用輕型的高性能材料；（2）對結構進行優化設計；（3）新型制造工藝的開發。國內外一直致力于新型制造工藝技術的開發，也取得了一定成效，然而由于新型制造工藝技術的開發周期較長，同時投入較大，因此目前主要從開發新型輕量化材料和對產品現有結構進行優化設計兩個方面來進行輕量化研究，并附之進行了抗撞擊性能、聲學性能等方面的研究。

（1）輕型高性能材料研究

目前使用最多的是夾層結構復合材料，夾層結構主要包括面板層和夾芯層，它們之間通過膠粘劑粘結而成。一般面板層較薄，采用強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合材料來設計車廂結構，將上車身殼采用復合蜂窩板，下框架采用不銹鋼結構，經過靜態和疲勞強度以及防火安全等測試確保了結構的安全性，最終使車廂質量減少了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]介紹了韓國擺式列車車廂的制造過程，并采用有限元和試驗的方法對韓國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行了測試，結果表明，各項指標都滿足要求；David Wennberg[6]采用具有相同承載能力的夾層結構來替換高速列車的金屬板和金屬梁等主要承載結構，并對夾層結構的夾芯密度和結構尺寸進行了優化設計，設計后校核了車廂結構的強度、固有頻率和剛度，結果表明，在滿足要求的情況下，車廂結構的總質量減少了30%.

隨著研究的不斷深入，夾層結構的優點也愈加明顯，這種輕型結構材料具有良好的比強度、比剛度、最大抗疲勞性能和表面平整光滑等特點。然而，夾層結構在大型承載工程零部件中的應用卻較少，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，同時現有制造工藝的限制也是其推廣應用的一大障礙。

（2）夾層結構的優化設計方法研究

輕量化技術實現的另一個方法就是結構優化設計。目前國內外對夾層結構的優化設計研究較多，是當前研究的主要方向。結構優化設計是指工程結構在滿足約束條件下按預定目標求出最優方案的設計方法，其目的在于用最少的材料和最低的成本來獲得結構的最佳性能，包括重量、強度、剛度、穩定性等目標。常用的研究方法有結構拓撲優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與優化軟件BOSS QUATTRO相結合的方法對輕軌列車的夾層結構進行了優化設計，首先對整體車廂外殼夾層結構進行有限元分析，找到應力最大的面板，然后對該面板分別進行了形狀和尺寸優化，形狀優化以窗子的圓角半徑為變量，結構的質量為目標，尺寸優化以小層板的厚度為設計變量，結構的質量為目標，采用MDQA算法進行優化求解，形狀優化后結構的圓角半徑由最初的200 mm變成了158.3 mm，質量從132.4 kg減少到129.7 kg，尺寸優化后質量則從129.7 kg減少到112.4 kg；Jung-Seok Kim[8-10]采用了專家系統、遺傳算法和有限元相結合的方法對復合結構進行了強度、剛度優化設計，以薄片板的疊放順序和個數為設計變量，應變率的平方和最小為目標，優化后，結構的剛度提高了，并且薄片板的個數減少了34%.

（3）夾層結構的抗撞擊性能研究

夾層結構耐撞性設計是在研究碰撞機理的基礎上，通過結構尺寸優化或設計具有特殊吸能單元的新式結構，以提高夾層結構的耐撞性能。

D.Karagiozova[11]等人利用有限元法分析了夾緊了的夾層結構在爆炸中的性能，夾層結構的面板為低碳鋼，夾芯為鋁合金蜂窩結構，在夾層結構的面板上加載爆炸產生的壓強隨時間的載荷圖，得到夾層結構的性能，結果表明，在夾芯結構一定時，傳到底面板的載荷大小取決于爆炸產生的載荷大小、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構的碰撞性能，夾層結構的面板為玻璃纖維樹脂面板，夾芯為聚合泡沫，試驗結果表明夾層結構的碰撞性能主要依賴于泡沫夾芯材料的強度性能，在泡沫夾芯中增加一層樹脂墻可以增加夾層結構的抗沖擊性能；Patrick M.Schubel[13]評估了夾層結構在碰撞之后結構的殘余機械性能，結果顯示，夾層結構碰撞后產生的面板層分離對夾層板的承載載荷非常不利。

從國內外研究結果來看，僅靠對傳統結構進行優化來提高結構耐撞性能是有限的，設計高效的吸能單元是提高結構耐撞性能的主要途徑。

（4）夾層結構的聲學性能優化設計研究

由于夾層板力學和隔聲方面的性質相比于傳統材料存在著非常大的差別，對于外部激勵而引起的輻射噪聲問題，目前還缺乏理論分析模型，國內外對夾層結構的聲學性能的研究很少，相關的研究還處于初步階段，基礎數據還不夠完善。所以，研究夾層結構的固有頻率、隔聲特性及低噪聲結構設計具有非常重要的意義。如Per Wennhage[14，15]對夾層結構的聲學性能進行了優化設計，在滿足剛度、強度和隔聲性能約束的前提下，追求了夾層板的輕量化設計，隔聲性能以夾層板降低聲音大作為表征，以面板和夾芯厚度、夾芯密度作為設計變量，最大變形、應力和隔聲性能作為約束，建立目標、約束與設計變量之間的關系，最終使用移動漸近線的方法（MMA）進行了優化求解，優化后結構的的密度從40 kg/m3降到了23 kg/m3.

（5）多目標優化設計研究

高速列車車廂結構的性能指標很多，如質量、剛度等，針對不同的運行速度、運行環境，優化設計所追求的目標也不同。為了使各個目標之間達到一個較好的平衡，需要對高速列車車廂結構進行多目標優化設計。G R M Mastinu[16]等人對列車車輛的布局進行了多目標優化設計，以達到車輛的最低生命成本，目標函數有質量、舒適性等5個指標，車廂長、輪對數等11個參數作為設計變量，以車廂截面寬、每軸重最大載荷等4個指標為約束，根據理論知識建立各目標、約束函數與變量之間的關系，最后利用遺傳算法求得了Pareto優化解集。

目前多目標優化的對象普遍具有局限性，國內外研究也較少，因此多目標優化設計研究仍是未來主要方向。

2 結束語

目前對高速列車車廂的研究主要有對現有車廂結構進行強度、剛度和疲勞校核，并對局部結構進行了靜態載荷下的尺寸優化研究，優化的部件有主要承載結構、強度較大和不足處以及對某項指標不敏感部位，約束函數大都為應力和位移，追求結構輕量化，尺寸優化的方法有下面幾種：（1）通過經驗設計結構，然后進行有限元分析；（2）設計很多組試驗進行有限元分析，從滿足要求的方案中選擇最優的結構；（3）利用優化軟件OptiStruct或ISIGHT或ANSYS等進行尺寸優化設計。總體來說，目前研究的大多是單一對象，優化工況的載荷都是靜態載荷，沒有考慮多目標下空氣動力載荷、噪音等對車廂的影響。因此多目標下空氣動力載荷對車廂結構的優化設計和夾層結構的聲學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

項目來源：陜西國防工業職業技術學院院級課題（編號：Gfy15-07）

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