摘 要

本文借助有限元计算软件以及三维建模软件针对某一型号动车中间车体进行有限元的分析以及结构设计的优化。首先对各个标准下的计算载荷进行了对比，选取了适合的载荷工况对车体进行静力学分析。利用hyperworks对车体进行了前处理，联合ANSYSWorkbench对车体进行了有限元的计算，并对结果进行了分析，初步确定优化设计的方案。在有限元分析的基础上，对包括整车板厚以及车顶的拓扑进行了优化设计，验证了设计结果，达到了一定的轻量化效果。

关键词：动车白车身；优化设计；轻量化；有限元分析

Abstract

This article uses finite element calculation software and three-dimensional modeling software to perform finite element analysis and structural design optimization on the central body of a train. First, calculate the calculation load under each standard and analyze the static body of the car body with appropriate load conditions. The body is preconditioned with hyperworks. The car body's finite element calculations were performed with ANSYS Workbench. Analyze the results and determine the preliminary design optimization plan. Based on the finite element analysis, the design including vehicle thickness and roof topography was optimized to verify the design results and achieve a certain degree of weight reduction.

Key Words：EMU white body; optimal design; lightweight; finite element analysis.

目录

第一章 绪论 1

1.1选题背景及研究意义 1

1.2 国内外研究概况 2

1.3论文主要研究内容 3

第二章 高速动车中间车体有限元模型的建立 4

2.1 高铁中间车体的结构及其功能分析 4

2.1.1主要技术参数 4

2.1.2 各结构特点 4

2.2 力学模型的选择以及车体模型的简化 7

2.3 材料属性及单位制 8

2.4焊接部分的处理 8

2.5基于HYPERMESH的模型修剪与网格划分 9

第三章 车体结构强度分析 11

3.1 车体计算评定标准 11

3.1.1 强度评定 11

3.1.2 刚度评定 11

3.2 车体标准以及载荷工况的选取 11

3.2.1 车体标准 12

3.2.2 计算工况的选取 12

3.3 车体静力学分析 13

3.4 车体刚度校核 14

第四章 车体轻量化设计与验证 15

4.1 车体轻量化设计方案 15

4.1.1 优化设计理论 15

4.1.2 软件使用 16

4.2 板厚的尺寸优化 17

4.2.1 设计变量的确定 17

4.2.2目标函数 19

4.2.3优化结果与验证 19

第五章 总结 22

参考文献 23

致 谢 24

第一章 绪论

1.1选题背景及研究意义

高速动车近年来在我国有着飞速的发展，我国已经建成了运营里程世界第一的高速铁路网，高速铁路技术虽然起源于欧洲和日本，但是中国在通过技术引进之后通过不断地技术发展，使得高速铁路这一产业成为了我们国家最为耀眼的一颗明星。对于经济效益，高速铁路有着他独特的优势，高速铁路运行速度快并且运行安全，同时高速铁路的维护费用相对于飞机和传统铁路低，但是高速铁路的飞速发展也使得其自身暴露出非常多的问题。（1）高速车体在运行过程中受到周围压力的影响，特别是在车体进出隧道时，压力波对车体的作用会随着速度的提升显著增大。（2）车身上由于需要提高舒适性，在车身上不断加入新的设备，这些设备增加了动车组的整体车重（3）随着动车组的速度已经由最初的250km/h增加到了300km/h，不断提高的速度也使动车行驶过程中的振动增大。

以上的这些原因要求动车组的车身在发展设计过程中在满足设计标准的情况下保证一定的结构强度，也要尽可能的减少质量。现如今，要想有更好的经济效益，就必须对车体进行轻量化设计，然而我们国家的动车组的车体重量比较重，同时速度的提升对于高速动车组车身的强度要求进一步提高。所以动车车身的轻量化不仅可以减少材料的使用，提高经济效益，减少材料制造过程中的能耗，而且还可以降低动车组在行驶中的能源消耗比如减少车头发动机的牵引功率。并且，随着动车车身整体质量的减小，可以有效提高动车组的刹车、起步和加速性能，车体与轮轨之间的作用力和整个车身的振动幅度也会减小，这可以有效的挖掘动车的速度，为进一步提升动车速度打下基础。

高铁产业如同航天产业一样，代表着一个国家最先进的制造水平，与此同时，高铁也是一个国家的美好名片，近年来在国际社会上，人们将高铁作为中国的新四大发明，由此可见，不断提高我们国家高铁的设计建设水平对提升我们国家的国际影响力有着重要的意义。而先进的设计制造水平目前主要体现在对整个动车组的优化设计上，同时轻量化带来的经济效益，也是响应了我们国家号召节能减排的政策。

优化设计是在满足车体强度和刚度的前提下,通过改变结构构件的截面尺寸,甚至能够通过人机交互的方式改变结构内部的应力分布状态，缩短设计周期，提高设计质量，减少结构自重。^[1]在结构设计中主要侧重利用拓扑和形状优化实现车体结构的合理布局，在此基础上使用尺寸优化实现车体结构各部件的尺寸参数，达到轻量化的目的。^[2]计算力学领域里结构分析及结构优化理论及方法的不断更新,使得大型复杂工程结构的轻量化成为可能。^[3]

1.2 国内外研究概况

目前而言，对于高铁的轻量化设计主要体现在两个方面：材料和结构优化。材料方面，国内外的研究者不断探索复合材料等低密度高强度材料在动车上的使用。碳纤维复合材料的使用以及变得流行起来，同时由于产业的发展，碳纤维材料的成本问题也得到了部分的解决。而在结构优化方面，通过更智能化的算法来对现有的动车车体机构进行优化，同时进行创新设计，努力达到一件多用的目的，即某一些部件在保有其本来功能的前提下，扩展功能，使其能够代替某些零件，从而实现减少部件来减少质量的目的。例如侧墙与车体上边梁共用一根车体上边梁，整体性好，提高了侧墙与车顶间的连接强度，同时车体上边梁又可以作为空调的风道，既节省了空间，又降低了重量。^[4]

对于高铁的轻量化设计主要体现在两个方面：材料和结构优化。材料方面，国内外对于在动车组车体上使用碳纤维、玻璃钢等复合材料的使用比重在不断增加。与此同时对于复合三明治材料的研究也得到了非常多的应用。在这一点上，国外的研究进行情况要比国内先进许多，特别是对于材料的使用种类，新材料的开发，对新材料的仿真分析尤为突出。