地鐵車體輕量化報告

1、-. z. - - . -可修- .城市軌道交通車輛構(gòu)造與原理課程設(shè)計學(xué)院：城市軌道交通學(xué)院系教研室：車輛工程系課程名稱：城市軌道交通車輛構(gòu)造與原理課程代號：100135 *：汪洋*：101112215 工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院2015年6月目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4217023471 概述 PAGEREF _Toc421702347 h 1HYPERLINK l _Toc4217023482 總體技術(shù)條件 PAGEREF _Toc421702348 h 1HYPERLINK l _Toc4217023492.1 任務(wù) PAGEREF _Toc

2、421702349 h 1HYPERLINK l _Toc4217023502.2 技術(shù)條件 PAGEREF _Toc421702350 h 1HYPERLINK l _Toc4217023512.3 總體方案 PAGEREF _Toc421702351 h 1HYPERLINK l _Toc421702352附每個人的設(shè)計容簡述 PAGEREF _Toc421702352 h 1HYPERLINK l _Toc4217023533 個人具體分工工程 PAGEREF _Toc421702353 h 1HYPERLINK l _Toc4217023544 設(shè)計方案 PAGEREF _Toc421

3、702354 h 1HYPERLINK l _Toc4217023554.1 總體理念 PAGEREF _Toc421702355 h 錯誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc4217023564.2尺寸設(shè)定 PAGEREF _Toc421702356 h 錯誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc4217023615 工藝分析 PAGEREF _Toc421702361 h 1HYPERLINK l _Toc4217023625.1 材料選定 PAGEREF _Toc421702362 h 錯誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc4217023635.2焊接處理

4、PAGEREF _Toc421702363 h 錯誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc4217023686 強度校核 PAGEREF _Toc421702368 h 1 6.1車頂強度校核 14 6.2新材料車體強度校核 14HYPERLINK l _Toc4217023707 總結(jié) PAGEREF _Toc421702370 h 1HYPERLINK l _Toc4217023718 結(jié)后語 PAGEREF _Toc421702371 h 1HYPERLINK l _Toc4217023729 參考資料 PAGEREF _Toc421702372 h 1HYPERLINK l _

5、Toc42170237310 附件：設(shè)計圖 PAGEREF _Toc421702373 h 1HYPERLINK l _Toc42170237411 組分工 PAGEREF _Toc421702374 h 1-. z.車體輕量化設(shè)計汪洋*1011122151 概述隨著國外城市軌道交通的迅速開展，城市軌道交通已經(jīng)成為城市軌道交通系統(tǒng)的主動脈，人們對地鐵列車平安性和舒適性等方面的要求也越來越高。而車體是地鐵車輛的主體局部，適當(dāng)減輕車體、附屬設(shè)備的質(zhì)量不僅可以節(jié)約原材料減少加工時間，更有利于提高車輛的動力性能和減少建造本錢。因此，在保證平安性和可靠性的的前提下，實現(xiàn)輕量化是地鐵車輛設(shè)計的重要目標(biāo)之一

6、，也是城軌開展的大勢所趨。車輛自重減輕可以降低運行阻力，節(jié)省牽引以及制動需要的能量，減少車輛和軌道的維護(hù)本錢，直接減少建造車輛使用的材料。因而，車體輕量化是城市軌道交通開展的趨勢。2 總體技術(shù)條件2.1 任務(wù)城市軌道交通車輛的主體局部是車體。為了確保列車平安、準(zhǔn)時、可靠地運行，對列車車體強度有相關(guān)指標(biāo)規(guī)定。因此車體輕量化也要在確保其在各項要求的圍，既減輕車體重量又能保證列車正常運行和乘客乘坐平安。本設(shè)計旨在采用先進(jìn)的設(shè)計實現(xiàn)車體輕量化的同時，為司乘人員提供最平安和最舒適的乘坐環(huán)境，既節(jié)省能源、降低維修本錢又能提供最大的使用率和可靠性。2.2 技術(shù)條件線路特征：線路為全隧道車輛參數(shù)車輛特征：車型

7、為A型車，車種為M車無受電弓帶空調(diào)的動車，一端為半永久牽引桿,另一端為半自動車鉤。車身和底架構(gòu)造：鎂合金，泡沫鋁合金車體的靜態(tài)抗壓強度為： 1200 KN2.2.1車輛尺寸帶車鉤的車輛長度： 22.8m車輛最大高度(車頂?shù)杰壍劳獗?: 3.805m車輛最大寬度: 3.0m地板面距軌面高: 1,130mm(新輪)轉(zhuǎn)向架中心距離: M =15.7m轉(zhuǎn)向架:軸距: 2.5m新輪: 840mm磨耗輪: 770mm乘客通過門:滑動外推式電控車門: 每邊5個寬度,最小凈開度: 1,300mm高度,凈開: 1,950mm門的開關(guān)時間由微處理器進(jìn)展調(diào)整.乘客車廂車窗雙層玻璃，帶顏色的，一整塊長的位于兩個門柱之

8、間。乘客載荷：舒適載荷 AW1：滿座額定載荷 AW2：6人/m2擁擠載荷 AW3：9人/m2 乘客數(shù)量總?cè)藬?shù)乘客總質(zhì)量每位60KG乘客總?cè)藬?shù)AW000乘客總?cè)藬?shù)AW1382280乘客總?cè)藬?shù)AW221813080乘客總?cè)藬?shù)AW330518300車體下方懸吊裝置類別重量備注轉(zhuǎn)向架包含牽引電機(jī)7200KG/臺單臺車體兩個轉(zhuǎn)向架單元制動器360KG單臺車體一臺單元制動機(jī)輔助逆變器1200KG單臺車體一臺電抗器34KG單臺車體一臺可變電阻器8.5KG單臺車體一臺2.2.2.2 車體其他裝置類別重量備注空調(diào)750KG/臺單臺車體兩個空調(diào)外裝飾件3200KG主要包括側(cè)墻板和部設(shè)施設(shè)備等列車動態(tài)參數(shù)車速：最高

9、運行速度： 120 km/h運行電壓： 1500 V DC最大電壓： 1800 V DC最小電壓： 1000 V DC牽引工況：在1,500 VDC，枯燥平直軌道以及AW2載荷下如：6人/m2：初始加速度： 0.97 m/s2 0 35 km/h計算的粘著限制： 16 %平均加速度： 0.6 m/s0 120 km/h制動模式下的工況：在枯燥、平直軌道以及AW3載荷下如：9人/m2：平均常用減速度： 1 m/s瞬間減速度： 1.11m/s最大沖動極限： 0.75 m/s3平均緊急減速度： 1.2 m/s注：平均緊急減速度列車制動前速度120km/h與從司機(jī)按下緊急制動按鈕到列車停頓這一過程時間

10、的比值瞬間緊急減速度： 1.3 m/s瞬間快速制動減速度： 1.3 m/s最大粘著限制： 15 %列車壽命本車輛的使用壽命至少為30年。在以下條件下，車輛的壽命不予保證：車輛用于客運以外的目的；維修工作沒有按照維修手冊執(zhí)行；在產(chǎn)生較大故障時沒有按車輛設(shè)計者的建議進(jìn)展修理。2.3 總體方案城市軌道交通車體主要由車頂、端墻、底架、底板、側(cè)墻、飾等構(gòu)成。飾又包括：吊環(huán)、欄桿、座椅等。碳纖維材料構(gòu)成的整體承載構(gòu)造是車體的骨架，它承受車體的自重以及運行時的各種載荷以及各種輔助設(shè)備的重量，是車體構(gòu)造的主要局部。而車體部設(shè)施的輕量化應(yīng)保證在車輛運行過程中能夠承受各種載荷而不變形。通過修改車體的構(gòu)造和材料，車

11、輛內(nèi)飾座椅/扶手/天花板的構(gòu)造和材料，實現(xiàn)車體輕量化使用SolidWorks三維建模軟件使用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)展強度校核校核是否符合GBT 7928-2003 地鐵車輛通用技術(shù)條件否車體輕量化成功是質(zhì)量是否比原鋁合金車體更 輕是否我們從構(gòu)造和材料兩方面進(jìn)展車體的輕量化設(shè)計。由于地鐵列車載客量大且不定的情況下，其總體構(gòu)造形式、性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要取決于車體材料，在設(shè)計城軌車體時，對車體構(gòu)件和部裝飾所用材料的根本要求為：應(yīng)具有構(gòu)件所要求的高強度和剛性，重量輕、耐老化、耐污染、耐磨耗、耐腐蝕等特性，適用于提高舒適度。目前城市軌道交通車體采用的材料為：車輛專用經(jīng)濟(jì)形不銹鋼和鋁合金，我們比照了

12、多種材料以后最終選取了鋁合金和新型材料兩種方案進(jìn)展設(shè)計。方案一：鋁合金材料鋁合金材料密度低,而且強度比擬高,接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼,塑性好,可加工成各種型材,具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性,工業(yè)上廣泛使用,使用量僅次于鋼。鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機(jī)械性能,物理性能和抗腐蝕性能。鋁合金材料優(yōu)點頗多，應(yīng)用圍廣，也是現(xiàn)在城市軌道交通車輛多采用的材料，所以我們選用鋁合金材料。方案二：新型材料參加碳纖維的容鎂合金的比強度要高于鋁合金和鋼、鐵，其比剛度與鋁合金和鋼相當(dāng)，在使用金屬構(gòu)造材料中其比重最小，這一特性對車輛減少能耗、輕量化具有非常重要的意義。鎂合金具有極好的吸收能量的能力，可吸收震動和噪音，保證

13、車輛能安靜運行，鎂合金的阻尼性比鋁合金大數(shù)十倍，減震效果很顯著。其抗沖擊能力是塑料的20倍，當(dāng)鎂合金鑄件收到?jīng)_擊時其外表產(chǎn)生疤痕比鐵和鋁都要小得多。具有尺寸穩(wěn)定和鑄模生產(chǎn)率高、機(jī)械加工性能好的特點。鎂具有很好的耐腐蝕性和高的散熱性、再生性。另外，鎂合金還具有抗疲勞性、無毒性、無磁性和較低的裂紋傾向性、不易破裂性等特點。構(gòu)造方面總體裝備圖圖1：總體方案設(shè)計圖附每個人的設(shè)計容簡述車體飾布置圖3.1座椅座椅采用豎排布置，布置在兩個車門之間，靠墻的窗下方。通過將椅背去除，將部鏤空，同時采用新材料實現(xiàn)輕量化。3.2欄桿扶手一組扶手固定在座椅的上方。另一組扶手固定在地板的中央。平行于側(cè)墻。通過優(yōu)化欄桿的形

14、狀，同時采用新材料來實現(xiàn)輕量化。3.3天花板天花板為自我支撐構(gòu)造。其原材料為鋁制構(gòu)造，通過采用新型材料，減輕天花板的重量來實現(xiàn)輕量化。3 個人具體分工工程軌道交通車體車頂設(shè)計4 設(shè)計方案4.1總體理念從廖愛華給我們的資料中抄下來車頂由兩條塊縱向中空型材上懸梁組成，它們構(gòu)成了縱向的構(gòu)件和車頂自身。所有這些縱向斷面均為鋁合金材料。由于車體為帶空調(diào)無受電弓的M車，車頂應(yīng)留有安裝空調(diào)單元凹入局部都由機(jī)械焊接鎂合金制成。考慮到維修人員爬上車頂進(jìn)展空調(diào)和受電弓的維修，車頂可承受以下作用力：1在一個200 cm2的區(qū)域的1000N的垂向作用力22個相距500mm的，單個作用于400cm2區(qū)域的1000N垂向

15、作用力。4.2尺寸設(shè)定1由于車型為A型車，寬為3.0米。為了減小空氣阻力因此采用流線型設(shè)計，同時有利于排水，橫截面為弧形。但為了和側(cè)墻的上梁貼合，橫截面兩端的曲線為垂線。2由于帶車鉤的車長為22.8米，因此車頂?shù)目v向長度為22米。3當(dāng)前城軌列車部件為維修方便，多采用模塊化設(shè)計。因此車頂兩端留有空調(diào)安裝座。安裝座深度為0.3米。5 工藝分析可以涉及材料焊接、鉚接的容5.1材料選定以下為鎂合金和鋁合金的材料性能比照表材料密度kg/m3氏模量pa泊松比屈服強度MpaAZ31B鎂合金18004.5E+100.35200Mpa6060 T5鋁合金27707.1E+100.33420Mpa由于車頂主要承載

16、空調(diào)設(shè)備，相對于底架來說所受應(yīng)力相對較小，因此采用密度較低且氏模量和屈服強度尚佳的鎂合金材料。5.2焊接處理鎂合金的焊接技術(shù)背景一般來說 ,鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊 ( GTAW TIG) 和熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊 ( GMAW MIG) 是鎂合金常用的焊接方法。此外鎂合金還可以采用電阻點焊(RSW) 、摩擦焊 ( FW) 、攪拌摩擦焊 ( FSW) 、激光焊(LBW) 、電子束焊 ( EBW) 等工藝進(jìn)展焊接。由于鎂的比熱容和熔化潛熱小 ,因此焊接時要求的輸入熱量少而焊接速度高。大多數(shù)情況下 ,鎂合金件可采用熔化焊 ,如電弧焊、激光焊、電子束焊和氣焊等方法進(jìn)展焊接。車頂?shù)逆V合金焊接方法鎂合金

17、鎢極氬弧焊1鎢極氬弧焊是目前焊接鎂合金最常用的焊接方法 ,它是在惰性氣體的保護(hù)下 ,利用電弧熱熔化母材和填充金屬。直流電源焊接時要采用反極性接法 ,以便利用陰極霧化作用破壞、除去母材外表上的氧化膜 ,減少或防止焊縫中的氧化物夾雜。氬弧焊的熱影響區(qū)尺寸及變形比擬小 ,焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性能也比擬高。焊接要求賣方應(yīng)按照ALSTOM質(zhì)量工藝或等同的工藝制造，即滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 729中的第1到第4部的要求。焊工和操作工人的操作資格應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 287的第1到第2部的要求，以及標(biāo)準(zhǔn)EN 1418的要求。組裝質(zhì)量組裝質(zhì)量應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)EN288的第1到第8部的要求。焊接應(yīng)按照ALSTOM B工廠的部工藝執(zhí)

18、行。焊縫的控制對缺陷的驗收準(zhǔn)則由標(biāo)準(zhǔn)EN 25-817ISO 5817和EN 30-042ISO 10042給定。焊縫檢查依事先制訂的檢查方案進(jìn)展。其中規(guī)定控制和檢查的性質(zhì)、圍、參考標(biāo)準(zhǔn)、控制圍。在第一個制造階段開場前，這個檢查方案將交給買方。肉眼檢查依EN 970標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展；干滲透檢查依 EN 571-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展；*光檢查依ISO 1106-1與ISO 2437標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展。6 強度校核6.1車頂強度校核校核標(biāo)準(zhǔn)1在一個200 cm2的區(qū)域的施加1000N的垂向作用力，最大應(yīng)力小于鎂合金強度250Mpa22個相距500mm的，單個作用于400cm2區(qū)域的1000N垂向作用力，最大應(yīng)力小于鎂合金強度

19、250Mpa校核結(jié)果1由圖可知，最大應(yīng)力為0.21Mpa，小于200Mpa，校核通過2由圖可知，最大應(yīng)力為0.5Mpa，小于200Mpa，校核通過。6.2新材料車體強度校核材料參數(shù)設(shè)定6.2.2 mesh的分割6.2.3 load加載形變圖的顯示6.2.5 比照校核標(biāo)準(zhǔn)7 總結(jié)在進(jìn)展車頂?shù)慕r，一開場我將空調(diào)的模型也做了上去。但是后來發(fā)現(xiàn)空調(diào)應(yīng)該以附加載荷的方式參加，遂將模型去除，在原位置挖槽，設(shè)計為空調(diào)的安裝座。在進(jìn)展新材料車體的校核時，由于對NASYS軟件的不熟悉，操作過程中遇到了各種各樣的困難。首先是在系統(tǒng)error說有干預(yù)，我只能將模型重新交給飛翔返工，在排除了所有干預(yù)后再開場校核。

20、但是隨后的校核也不是一帆風(fēng)順的，隨后系統(tǒng)一下次出現(xiàn)了3個error。第一次error貌似是說網(wǎng)格質(zhì)量不高，我在廖愛華教師的指導(dǎo)下把relevance center由coarse改為medium。第二個error說無法對兩個側(cè)墻進(jìn)展mesh的分割，廖愛華教師說是由于機(jī)房的軟件版本是教學(xué)版的緣故，讓我們回去重下一個版本。于是我們回到寢室使用自己下載的workbench12.0后這個error果然再也沒有出現(xiàn)。第三個error說由于兩個底架側(cè)梁的構(gòu)造復(fù)雜，當(dāng)前的網(wǎng)格化設(shè)置無法滿足要求。提示我可以將sizing中的behavior由soft改為hard，隨后我按照CAE論壇中的建議將element s

21、ize設(shè)定為150mm。最終在排除了所有error后校核成功了，但是可能由于車體構(gòu)造或軟件版本上的一些問題吧，車體的應(yīng)力圖無確顯示，這也算是一個最大的遺憾吧。8 結(jié)后語此次課程設(shè)計對我來說無疑是一個雙重的考驗。首先我作為組長，為了防止在別的組當(dāng)中普遍存在的一局部人全程劃水，一局部人全程忙死的情況，如何將全組的所有同學(xué)調(diào)動起來是我最大的一個任務(wù)。在具體的實踐中我發(fā)現(xiàn)，首先是任務(wù)的分配要合理，并符合每一位組員的特點。即根據(jù)每一位組員的特長委派任務(wù)，給組員委派無力完成的任務(wù)是會損傷組員的工作積極性的。第二是組長應(yīng)起到絕對的帶頭作用，在對待課程設(shè)計的態(tài)度上應(yīng)給全組一個示。隨后，我們組的課題是車體輕量化設(shè)計計算。在設(shè)計前期，我在知網(wǎng)上查詢了很多關(guān)于車體輕量化的論文，對輕量化的含義和流程有了一個大致的了解。原本我以為，這個課題相對于別的組會較為簡單。但是在實際的操作過程中，尤其是后期的強度校核過程中