軌道車輛輕量化

軌道車輛輕量化

王中鋼編著

中國鐵道出版社有限公司

年北京

2021·

內(nèi)容簡介

本書系統(tǒng)闡述了軌道車輛輕量化的設(shè)計(jì)方法核心技術(shù)與實(shí)現(xiàn)路徑分析了軌道車輛輕量

、,

化的一般性解釋剖析了輕量化與整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度動力學(xué)安全性可靠性減振降噪等性能的

,、、、、

關(guān)系重點(diǎn)論述了輕質(zhì)車體及轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)流程和輕質(zhì)金屬鋁合金鎂合金輕質(zhì)夾層結(jié)

,(/)、

構(gòu)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橡膠等高分子材料的輕量化以及鼓形車體無搖枕轉(zhuǎn)向架空心車軸等

、、、、

結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)和連接工藝歸納了輕量化優(yōu)化方法結(jié)合響應(yīng)面粒子群算法等展示

,,Isight、、

了基于仿真優(yōu)化的具體案例最后總結(jié)并展望了軌道車輛先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)輕量化前沿技

CAE,

術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向

。

本書可供軌道交通汽車航空航天機(jī)械材料領(lǐng)域的高年級本科生研究生教師及相關(guān)

、、、、、、

從業(yè)人員參考學(xué)習(xí)

。

圖書在版編目CIP數(shù)據(jù)

()

軌道車輛輕量化王中鋼編著北京中國鐵道出版社有限

/.—:

公司

,2021.9

ISBN978-7-113-28413-8

軌王輕軌車輛設(shè)計(jì)

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①-Ⅳ.①U270.9

中國版本圖書館數(shù)據(jù)核字第號

CIP(2021)196310

書名:軌道車輛輕量化

作者:王中鋼

策劃:黃璐

責(zé)任編輯:黃璐編輯部電話:電子信箱:

(010)51873138jiliang@tdpress.com

編輯助理:白小玉

封面設(shè)計(jì):崔麗芳

責(zé)任校對:苗丹

責(zé)任印制:高春曉

出版發(fā)行:中國鐵道出版社有限公司北京市西城區(qū)右安門西街號

(100054,8)

網(wǎng)址:

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印刷:北京盛通印刷股份有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202191202191

開本:印張:字?jǐn)?shù):千

787mm×1092mm1/1622.75444

書號:

ISBN978-7-113-28413-8

定價(jià):元

138.00

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前言

大規(guī)模發(fā)展具有運(yùn)能大、安全舒適、全天候運(yùn)輸、環(huán)境友好和可持續(xù)等優(yōu)勢

的軌道交通,是在能源和環(huán)境約束下進(jìn)一步提升我國交通運(yùn)輸能力供給、帶動

形成一大批高新技術(shù)與制造能力發(fā)展提升的重要舉措。經(jīng)過幾十年的自主發(fā)

展,我國鐵路取得的成就舉世矚目。年月日,習(xí)近平總書記乘坐京張

2021119

高鐵赴河北張家口賽區(qū)考察北京冬奧會和冬殘奧會籌辦工作有關(guān)情況時(shí)指出,

我國自主創(chuàng)新的一個(gè)成功范例就是高鐵,從無到有,從引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新

到自主創(chuàng)新,現(xiàn)在已經(jīng)領(lǐng)跑世界。

軌道車輛的輕量化一直是鐵路行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)技術(shù)之一(本書所指軌道車

輛為泛指,涵蓋鐵路機(jī)車車輛、動車組、城軌車輛、磁浮列車等)。“十二五”時(shí)

期,國家科技支撐計(jì)劃“下一代城市軌道交通列車關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制”項(xiàng)目

啟動實(shí)施,明確了三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo):減重%、節(jié)能%、降噪分貝?！笆?/p>

10103

五”時(shí)期,一批與軌道裝備輕量化有關(guān)的重點(diǎn)任務(wù)相繼立項(xiàng)研究,力圖取得節(jié)能

降耗更進(jìn)一步的效果。在“碳達(dá)峰”“碳中和”產(chǎn)業(yè)格局重構(gòu)的新形勢面前,國

內(nèi)外節(jié)能減排壓力逐漸增大,與軌道車輛節(jié)能降耗密切相關(guān)的輕量化技術(shù)需求

更為突顯。

軌道車輛的輕量化,從一般意義上理解,似乎只需要采用輕質(zhì)高強(qiáng)的材料

即可解決。然而,實(shí)際上問題要復(fù)雜得多,絕非一“輕”可了,其與飛機(jī)、航天器

或汽車的輕量化有很大不同。相較于上述交通工具而言,列車是一種在鐵軌上

行駛的龐然大物。隨運(yùn)行速度的提高,輪軌沖擊的加劇和壽命期營運(yùn)里程的延

長對列車關(guān)鍵構(gòu)件的材料與結(jié)構(gòu)形式提出了更高要求,需采用比原有材料性能

更優(yōu)異的新材料或更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式。

為此,國內(nèi)外針對列車輕量化開展了大量的探索與實(shí)踐,取得了卓有成效

的豐碩成果,從零件、部件、整車層面形成了較完善的研發(fā)流程與輕量化方法。

Ⅱ

尤其是近年來,輕質(zhì)金屬、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、夾層結(jié)構(gòu)、先進(jìn)數(shù)值優(yōu)

20CAE

化、增材制造等前沿方法與技術(shù)的不斷突破及應(yīng)用為軌道車輛輕量化的工程實(shí)

現(xiàn)提供了強(qiáng)大的支撐。然而,軌道車輛的輕量化是復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及材料、

結(jié)構(gòu)、工藝三大板塊內(nèi)容,面臨來自先進(jìn)成型與制造、結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)、復(fù)雜服

役環(huán)境綜合適應(yīng)性、多材料綜合應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)成本與產(chǎn)業(yè)門檻多重約束、全產(chǎn)業(yè)鏈

資源協(xié)同等方面的挑戰(zhàn),既得成果雖體量豐富卻相對離散,迫切需要全面系統(tǒng)

地梳理有關(guān)工作與最新成果。

基于此,本書以工程需求為牽引,在行業(yè)眾多專家、學(xué)者、技術(shù)人員所得成

果的基礎(chǔ)之上,系統(tǒng)引述、融匯梳理并總結(jié)了軌道車輛輕量化的主要實(shí)現(xiàn)路線、

核心技術(shù)及最新進(jìn)展。其中,第章緒論部分,重點(diǎn)闡述了軌道車輛輕量化的

1

背景和意義,以及輕量化實(shí)施的總體思路;第章從新材料應(yīng)用的角度細(xì)述

2~6

了輕質(zhì)金屬、輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、高分子材料等在軌道車輛輕量

化中的應(yīng)用;第章從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面細(xì)述了車體及轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的輕量化;第

78

章重點(diǎn)介紹了軌道車輛的輕量化數(shù)值優(yōu)化方法及仿真,并用實(shí)例展示了

CAE

整車輕量化優(yōu)化的過程與細(xì)節(jié);第章總結(jié)了軌道車輛先進(jìn)輕質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)輕

9

量化有關(guān)的增材制造技術(shù)、點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)、三維編織復(fù)合材料、新型夾層結(jié)構(gòu)增

強(qiáng)設(shè)計(jì)等最新前沿技術(shù),并對軌道車輛輕量化新材料與新結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展方向

進(jìn)行了展望。所述工作除依托本人所主持的一系列有關(guān)軌道車輛輕質(zhì)材料與

結(jié)構(gòu)研究的各類科研項(xiàng)目及有關(guān)工作以外,更凝聚了軌道車輛相關(guān)專業(yè)從業(yè)人

員、專家學(xué)者幾十年的智慧與辛勞,融合并引述了與輕量化相關(guān)的大量研究成

果(包含本書編寫、整理所涉及的標(biāo)引和未標(biāo)引內(nèi)容)。本書末尾附參考文獻(xiàn)

雖相當(dāng)廣泛,但遠(yuǎn)非全部。由于文獻(xiàn)浩繁,難免掛一漏萬,對該領(lǐng)域的部分工作

可能未曾提及,對此深表歉意。

本書的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、湖湘青年英才支持項(xiàng)

目、湖南省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目以及長沙市杰出創(chuàng)新青年培養(yǎng)計(jì)劃

項(xiàng)目的資助與支持,在此表示特別感謝。書稿在撰寫過程中得到了田紅旗院

士、梁習(xí)鋒教授等知名專家的諄諄教導(dǎo)、鼎力支持與悉心鼓勵,還得到課題組同

事、在讀研究生的大力幫助,在此一并致以誠摯的感謝。書中同時(shí)參考融匯了

Ⅲ

有關(guān)軌道車輛輕量化的大量研究成果與進(jìn)展,在此向全體專家學(xué)者表示衷心

感謝!

在從事軌道車輛輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研究和編撰此書的過程中,本人深刻地認(rèn)

識到圍繞軌道車輛深度輕量化的各種問題具有系統(tǒng)性、復(fù)雜性特點(diǎn),涉及的要

素多、難度大,使該領(lǐng)域研究充滿挑戰(zhàn),期待各位同仁共同努力。

適逢建黨百年華誕之際,作為一名鐵路人,對我國軌道交通事業(yè)發(fā)展輝煌

成果倍感驕傲與自豪,被一直以來奮力自強(qiáng)、勇于爭先的“火車頭”精神所熏

陶、感染!乘勢而上千帆競,策馬揚(yáng)鞭正當(dāng)時(shí)!在征戰(zhàn)交通強(qiáng)國、鐵路先行、裝

備支撐的嶄新道路上,我們將揮汗向前,爭作貢獻(xiàn)。

由于水平有限,書中難免存在不足之處,殷切期待讀者批評指正,不勝

感激!

王中鋼

年月于長沙鐵路園

20215

目錄

1緒論………………

1

軌道車輛輕量化問題的提出……………………

1.11

節(jié)能減排是機(jī)車車輛工業(yè)發(fā)展的必然趨勢…………

1.1.11

軌道車輛輕量化的一般性解釋………

1.1.24

軌道交通產(chǎn)業(yè)呼喚輕量化技術(shù)…………………

1.26

對接國家節(jié)能減排戰(zhàn)略需求的需要…………………

1.2.16

促推產(chǎn)品升級換代的需要……………

1.2.27

適應(yīng)國際競爭的需要………………

1.2.310

軌道車輛輕量化設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)……………

1.311

先進(jìn)成型與制造技術(shù)的挑戰(zhàn)………

1.3.111

車輛結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)………

1.3.211

復(fù)雜服役環(huán)境綜合適應(yīng)性的挑戰(zhàn)…………………

1.3.312

多材料綜合應(yīng)用的挑戰(zhàn)……………

1.3.413

經(jīng)濟(jì)成本與產(chǎn)業(yè)門檻多重約束帶來的挑戰(zhàn)………

1.3.514

全產(chǎn)業(yè)鏈資源協(xié)同的挑戰(zhàn)…………

1.3.615

輕量化的實(shí)現(xiàn)路徑……………

1.415

總體思路……………

1.4.115

材料輕量化…………

1.4.217

結(jié)構(gòu)輕量化…………

1.4.321

工藝輕量化…………

1.4.423

2軌道車輛輕量化與整車性能的關(guān)系………………

29

軌道車輛輕量化的約束要素…………………

2.129

能耗方面的約束……………………

2.1.129

強(qiáng)度及動力學(xué)方面的約束…………

2.1.235

其他產(chǎn)業(yè)方面的約束………………

2.1.339

2

軌道車輛的開發(fā)流程與輕量化………………

2.240

車輛鋼結(jié)構(gòu)…………

2.2.140

車輛鋼結(jié)構(gòu)的開發(fā)流程與輕量化…………………

2.2.246

轉(zhuǎn)向架的開發(fā)流程與輕量化………

2.2.348

整車開發(fā)性能與輕量化關(guān)聯(lián)性………………

2.350

輕量化與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度…………………

2.3.150

輕量化與可靠性……………………

2.3.252

輕量化與減振降噪…………………

2.3.353

輕量化與耐撞性……………………

2.3.456

輕量化與全生命周期評估…………

2.3.559

3輕質(zhì)金屬車體結(jié)構(gòu)與輕量化………

62

軌道車輛用鋁合金及應(yīng)用……………………

3.162

總體情況……………

3.1.162

鋁合金的特點(diǎn)及優(yōu)勢………………

3.1.266

車輛用變形鋁合金…………………

3.1.368

車輛用鑄造鋁合金…………………

3.1.473

鋁合金車體典型結(jié)構(gòu)及特征分析…………………

3.1.574

軌道車輛用鋁合金關(guān)鍵技術(shù)…………………

3.276

鋁合金材料的強(qiáng)化與生產(chǎn)…………

3.2.177

鋁合金車體的焊接技術(shù)……………

3.2.279

鋁合金車體綜合技術(shù)………………

3.2.382

鋁合金在車輛骨架梁上的應(yīng)用……

3.2.489

鋁合金在鐵路貨車上的應(yīng)用………

3.2.591

鎂合金及其在核心部件上的應(yīng)用……………

3.394

鎂合金的特點(diǎn)及優(yōu)勢………………

3.3.195

鎂合金的結(jié)構(gòu)形式…………………

3.3.296

鎂合金在軌道車輛上的應(yīng)用………

3.3.397

4輕質(zhì)夾層車體結(jié)構(gòu)與輕量化………

103

夾層結(jié)構(gòu)典型特征……………

4.1103

夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢……………………

4.1.1103

夾層結(jié)構(gòu)的分類……………………

4.1.2109

3

夾層結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)………………

4.1.3113

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其在軌道車輛應(yīng)用…………

4.2115

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性…………

4.2.1115

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在車體側(cè)墻應(yīng)用……

4.2.2119

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在車體地板的應(yīng)用…………………

4.2.3122

蜂窩結(jié)構(gòu)在車端吸能裝置上的拓展應(yīng)用…………

4.2.4131

泡沫夾層結(jié)構(gòu)及其在軌道車輛應(yīng)用…………

4.3133

泡沫夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性…………

4.3.1133

泡沫夾層結(jié)構(gòu)在列車車體的應(yīng)用…………………

4.3.2138

泡沫夾層結(jié)構(gòu)在地板的應(yīng)用………

4.3.3139

5纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與輕量化…………………

144

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及應(yīng)用概況………………

5.1144

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)…………

5.1.1144

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的分類…………

5.1.2146

各型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特色……

5.1.3147

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軌道車輛應(yīng)用概況…………

5.1.4150

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能與成型工藝……

5.2152

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能………

5.2.1152

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造工藝………

5.2.2153

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在車體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用……

5.3158

在高速列車上的應(yīng)用………………

5.3.1158

在地鐵列車上的應(yīng)用………………

5.3.2164

在高速磁浮列車上的應(yīng)用…………

5.3.3165

在鐵路貨車上的應(yīng)用………………

5.3.4168

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用…………………

5.4174

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在車輛內(nèi)飾件上的應(yīng)用…………………

5.5179

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軌道車輛中的其他應(yīng)用………………

5.6180

6軌道車輛用高分子材料與輕量化…………………

184

軌道車輛用高分子材料概況…………………

6.1184

軌道車輛用橡膠材料及其輕量化……………

6.2187

橡膠的特點(diǎn)與分類…………………

6.2.1187

4

橡膠材料的常用性能及特征………

6.2.2189

軌道車輛橡膠構(gòu)件的輕量化應(yīng)用…………………

6.2.3193

軌道車輛用高強(qiáng)度塑料及其輕量化…………

6.3197

塑料的特點(diǎn)分類與性能…………

6.3.1、197

軌道車輛高強(qiáng)度塑料的常用力學(xué)性能……………

6.3.2198

軌道車輛用高強(qiáng)度塑料及其輕量化應(yīng)用…………

6.3.3202

7軌道車輛的結(jié)構(gòu)輕量化及連接工藝………………

207

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)…………

7.1207

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)…………

7.1.1207

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的強(qiáng)化路線………

7.1.2209

典型車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化……………

7.2211

總體原則……………

7.2.1211

高速列車車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例………

7.2.2213

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例…………

7.2.3214

車體焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例……………

7.2.4215

轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)輕量化……………

7.3217

轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)輕量化的總體情況……

7.3.1217

轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)輕量化…………………

7.3.2219

副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架輕量化……………

7.3.3225

貨車轉(zhuǎn)向架減重實(shí)例………………

7.3.4226

輕質(zhì)車輛結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)……………………

7.4227

結(jié)構(gòu)連接技術(shù)的總體情況…………

7.4.1227

輕合金鉚接技術(shù)……………………

7.4.2228

其他高強(qiáng)度粘接技術(shù)與輕量化……

7.4.3232

復(fù)合材料連接技術(shù)…………………

7.4.4236

8輕量化數(shù)值優(yōu)化方法及CAE仿真………………

241

軌道車輛結(jié)構(gòu)輕量化與分析…………

8.1CAE241

車輛結(jié)構(gòu)輕量化與方法……

8.1.1CAE241

車輛輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容………………

8.1.2CAE246

車輛輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程………………

8.1.3CAE249

結(jié)構(gòu)靈敏度分析……………………

8.1.4250

5

面向結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程化方法及實(shí)例……

8.2255

響應(yīng)面分析方法……………………

8.2.1255

基于遺傳算法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化…………

8.2.2263

基于粒子群算法的整車輕量化分析………………

8.2.3268

多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)……………………

8.2.4271

基于的整車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例……

8.3CAE281

整車優(yōu)化工程應(yīng)用…………………

8.3.1281

基于的高速列車中間車體整車優(yōu)化………

8.3.2Isight285

采用的鐵路長大貨物平車優(yōu)化………

8.3.3OptiStruct291

9軌道車輛先進(jìn)輕質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)及展望………

295

增材制造技術(shù)與軌道車輛輕量化……………

9.1295

增材制造技術(shù)………

9.1.1295

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料打印成型技術(shù)……………

9.1.23D299

打印技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用探索………

9.1.33D301

新型夾層結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)設(shè)計(jì)……………………

9.2306

增強(qiáng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)…………………

9.2.1306

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)……………

9.2.2310

多層中空復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)………

9.2.3315

夾層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)………………

9.2.4Z-pin316

三維編織復(fù)合材料與軌道車輛輕量化………

9.3319

三維編織復(fù)合材料特點(diǎn)及分類……

9.3.1319

編織復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的探索……………

9.3.2322

新材料與新結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展展望………………

9.4324

在輕質(zhì)金屬新材料方面……………

9.4.1324

在多孔夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面…………

9.4.2326

在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面……………

9.4.3327

在高分子材料應(yīng)用方面……………

9.4.4329

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面……………………

9.4.5329

參考文獻(xiàn)…………………

332

輕量化是載運(yùn)工具核心技術(shù)需求生活中大家都有這樣的感受如若身輕如燕

。,:,

則可健步如飛質(zhì)量輕了步子啟動與加速所需的能量自然而然地變小了除此以

。,。

外蜂巢蓮藕人體骨骼等都是大自然巧奪天工輕量化設(shè)計(jì)的杰作正是眾多鮮活

,、、、。

的生活實(shí)例與切身體驗(yàn)使人們很自然地將輕量化與節(jié)能降耗操控等性能參數(shù)密切

,、

聯(lián)系起來不斷地激勵著科研工作者們探索和尋找更優(yōu)答案

,。

1.1軌道車輛輕量化問題的提出

在工程技術(shù)領(lǐng)域車輛輕量化的概念最先起源于賽車運(yùn)動賽車設(shè)計(jì)師們不斷追

,,

求車輛輕的極致以期在比賽過程中使賽車發(fā)動機(jī)輸出的動力能夠產(chǎn)生更高的加速

“”,

度并且獲得比其他車輛更優(yōu)的操控性能正如我們平常購買私家車時(shí)都希望自己

,。,

所駕駛的車輛可操作性特別好這就需要車輛相對較輕因而質(zhì)量與駕駛體驗(yàn)密切

,。,

關(guān)聯(lián)同時(shí)也建立了體感與車輛輕量化間最直接的關(guān)系另一方面軌道車輛的輕量

,。,

化是應(yīng)對節(jié)能減排而催生的關(guān)鍵技術(shù)本書所指軌道車輛為泛指涵蓋鐵路機(jī)車車輛

(,、

動車組軌道車輛磁浮列車等

、、)。

1.1.1節(jié)能減排是機(jī)車車輛工業(yè)發(fā)展的必然趨勢

步入世紀(jì)以來能源短缺環(huán)境污染氣候變暖是