轨道车辆轻量化

轨道车辆轻量化

王中钢编著

中国铁道出版社有限公司

年北京

2021·

内容简介

本书系统阐述了轨道车辆轻量化的设计方法核心技术与实现路径分析了轨道车辆轻量

、,

化的一般性解释剖析了轻量化与整车结构强度动力学安全性可靠性减振降噪等性能的

,、、、、

关系重点论述了轻质车体及转向架的设计流程和轻质金属铝合金镁合金轻质夹层结

,(/)、

构纤维增强复合材料橡胶等高分子材料的轻量化以及鼓形车体无摇枕转向架空心车轴等

、、、、

结构轻量化技术和连接工艺归纳了轻量化优化方法结合响应面粒子群算法等展示

,,Isight、、

了基于仿真优化的具体案例最后总结并展望了轨道车辆先进材料与结构轻量化前沿技

CAE,

术的现状与发展方向

。

本书可供轨道交通汽车航空航天机械材料领域的高年级本科生研究生教师及相关

、、、、、、

从业人员参考学习

。

图书在版编目CIP数据

()

轨道车辆轻量化王中钢编著北京中国铁道出版社有限

/.—:

公司

,2021.9

ISBN978-7-113-28413-8

轨王轻轨车辆设计

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①-Ⅳ.①U270.9

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2021)196310

书名:轨道车辆轻量化

作者:王中钢

策划:黄璐

责任编辑:黄璐编辑部电话:电子信箱:

(010)51873138jiliang@tdpress.com

编辑助理:白小玉

封面设计:崔丽芳

责任校对:苗丹

责任印制:高春晓

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

http://www.tdpress.com

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

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/1622.75444

书号:

ISBN978-7-113-28413-8

定价:元

138.00

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前言

大规模发展具有运能大、安全舒适、全天候运输、环境友好和可持续等优势

的轨道交通,是在能源和环境约束下进一步提升我国交通运输能力供给、带动

形成一大批高新技术与制造能力发展提升的重要举措。经过几十年的自主发

展,我国铁路取得的成就举世瞩目。年月日,习近平总书记乘坐京张

2021119

高铁赴河北张家口赛区考察北京冬奥会和冬残奥会筹办工作有关情况时指出,

我国自主创新的一个成功范例就是高铁,从无到有,从引进、消化、吸收再创新

到自主创新,现在已经领跑世界。

轨道车辆的轻量化一直是铁路行业关注的重点技术之一(本书所指轨道车

辆为泛指,涵盖铁路机车车辆、动车组、城轨车辆、磁浮列车等)。“十二五”时

期,国家科技支撑计划“下一代城市轨道交通列车关键技术及装备研制”项目

启动实施,明确了三个关键技术指标:减重%、节能%、降噪分贝。“十三

10103

五”时期,一批与轨道装备轻量化有关的重点任务相继立项研究,力图取得节能

降耗更进一步的效果。在“碳达峰”“碳中和”产业格局重构的新形势面前,国

内外节能减排压力逐渐增大,与轨道车辆节能降耗密切相关的轻量化技术需求

更为突显。

轨道车辆的轻量化,从一般意义上理解,似乎只需要采用轻质高强的材料

即可解决。然而,实际上问题要复杂得多,绝非一“轻”可了,其与飞机、航天器

或汽车的轻量化有很大不同。相较于上述交通工具而言,列车是一种在铁轨上

行驶的庞然大物。随运行速度的提高,轮轨冲击的加剧和寿命期营运里程的延

长对列车关键构件的材料与结构形式提出了更高要求,需采用比原有材料性能

更优异的新材料或更优化的结构形式。

为此,国内外针对列车轻量化开展了大量的探索与实践,取得了卓有成效

的丰硕成果,从零件、部件、整车层面形成了较完善的研发流程与轻量化方法。

Ⅱ

尤其是近年来,轻质金属、纤维增强复合材料、夹层结构、先进数值优

20CAE

化、增材制造等前沿方法与技术的不断突破及应用为轨道车辆轻量化的工程实

现提供了强大的支撑。然而,轨道车辆的轻量化是复杂的系统工程,涉及材料、

结构、工艺三大板块内容,面临来自先进成型与制造、结构一体化设计、复杂服

役环境综合适应性、多材料综合应用、经济成本与产业门槛多重约束、全产业链

资源协同等方面的挑战,既得成果虽体量丰富却相对离散,迫切需要全面系统

地梳理有关工作与最新成果。

基于此,本书以工程需求为牵引,在行业众多专家、学者、技术人员所得成

果的基础之上,系统引述、融汇梳理并总结了轨道车辆轻量化的主要实现路线、

核心技术及最新进展。其中,第章绪论部分,重点阐述了轨道车辆轻量化的

1

背景和意义,以及轻量化实施的总体思路;第章从新材料应用的角度细述

2~6

了轻质金属、轻质夹层结构、纤维增强复合材料、高分子材料等在轨道车辆轻量

化中的应用;第章从结构设计层面细述了车体及转向架结构的轻量化;第

78

章重点介绍了轨道车辆的轻量化数值优化方法及仿真,并用实例展示了

CAE

整车轻量化优化的过程与细节;第章总结了轨道车辆先进轻质材料与结构轻

9

量化有关的增材制造技术、点阵夹层结构、三维编织复合材料、新型夹层结构增

强设计等最新前沿技术,并对轨道车辆轻量化新材料与新结构技术的发展方向

进行了展望。所述工作除依托本人所主持的一系列有关轨道车辆轻质材料与

结构研究的各类科研项目及有关工作以外,更凝聚了轨道车辆相关专业从业人

员、专家学者几十年的智慧与辛劳,融合并引述了与轻量化相关的大量研究成

果(包含本书编写、整理所涉及的标引和未标引内容)。本书末尾附参考文献

虽相当广泛,但远非全部。由于文献浩繁,难免挂一漏万,对该领域的部分工作

可能未曾提及,对此深表歉意。

本书的研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、湖湘青年英才支持项

目、湖南省自然科学基金优秀青年基金项目以及长沙市杰出创新青年培养计划

项目的资助与支持,在此表示特别感谢。书稿在撰写过程中得到了田红旗院

士、梁习锋教授等知名专家的谆谆教导、鼎力支持与悉心鼓励,还得到课题组同

事、在读研究生的大力帮助,在此一并致以诚挚的感谢。书中同时参考融汇了

Ⅲ

有关轨道车辆轻量化的大量研究成果与进展,在此向全体专家学者表示衷心

感谢!

在从事轨道车辆轻质结构设计、研究和编撰此书的过程中,本人深刻地认

识到围绕轨道车辆深度轻量化的各种问题具有系统性、复杂性特点,涉及的要

素多、难度大,使该领域研究充满挑战,期待各位同仁共同努力。

适逢建党百年华诞之际,作为一名铁路人,对我国轨道交通事业发展辉煌

成果倍感骄傲与自豪,被一直以来奋力自强、勇于争先的“火车头”精神所熏

陶、感染!乘势而上千帆竞,策马扬鞭正当时!在征战交通强国、铁路先行、装

备支撑的崭新道路上,我们将挥汗向前,争作贡献。

由于水平有限,书中难免存在不足之处,殷切期待读者批评指正,不胜

感激!

王中钢

年月于长沙铁路园

20215

目录

1绪论………………

1

轨道车辆轻量化问题的提出……………………

1.11

节能减排是机车车辆工业发展的必然趋势…………

1.1.11

轨道车辆轻量化的一般性解释………

1.1.24

轨道交通产业呼唤轻量化技术…………………

1.26

对接国家节能减排战略需求的需要…………………

1.2.16

促推产品升级换代的需要……………

1.2.27

适应国际竞争的需要………………

1.2.310

轨道车辆轻量化设计面临的挑战……………

1.311

先进成型与制造技术的挑战………

1.3.111

车辆结构一体化设计的挑战………

1.3.211

复杂服役环境综合适应性的挑战…………………

1.3.312

多材料综合应用的挑战……………

1.3.413

经济成本与产业门槛多重约束带来的挑战………

1.3.514

全产业链资源协同的挑战…………

1.3.615

轻量化的实现路径……………

1.415

总体思路……………

1.4.115

材料轻量化…………

1.4.217

结构轻量化…………

1.4.321

工艺轻量化…………

1.4.423

2轨道车辆轻量化与整车性能的关系………………

29

轨道车辆轻量化的约束要素…………………

2.129

能耗方面的约束……………………

2.1.129

强度及动力学方面的约束…………

2.1.235

其他产业方面的约束………………

2.1.339

2

轨道车辆的开发流程与轻量化………………

2.240

车辆钢结构…………

2.2.140

车辆钢结构的开发流程与轻量化…………………

2.2.246

转向架的开发流程与轻量化………

2.2.348

整车开发性能与轻量化关联性………………

2.350

轻量化与结构强度…………………

2.3.150

轻量化与可靠性……………………

2.3.252

轻量化与减振降噪…………………

2.3.353

轻量化与耐撞性……………………

2.3.456

轻量化与全生命周期评估…………

2.3.559

3轻质金属车体结构与轻量化………

62

轨道车辆用铝合金及应用……………………

3.162

总体情况……………

3.1.162

铝合金的特点及优势………………

3.1.266

车辆用变形铝合金…………………

3.1.368

车辆用铸造铝合金…………………

3.1.473

铝合金车体典型结构及特征分析…………………

3.1.574

轨道车辆用铝合金关键技术…………………

3.276

铝合金材料的强化与生产…………

3.2.177

铝合金车体的焊接技术……………

3.2.279

铝合金车体综合技术………………

3.2.382

铝合金在车辆骨架梁上的应用……

3.2.489

铝合金在铁路货车上的应用………

3.2.591

镁合金及其在核心部件上的应用……………

3.394

镁合金的特点及优势………………

3.3.195

镁合金的结构形式…………………

3.3.296

镁合金在轨道车辆上的应用………

3.3.397

4轻质夹层车体结构与轻量化………

103

夹层结构典型特征……………

4.1103

夹层结构的优势……………………

4.1.1103

夹层结构的分类……………………

4.1.2109

3

夹层结构的工程设计………………

4.1.3113

蜂窝夹层结构及其在轨道车辆应用…………

4.2115

蜂窝夹层结构的力学特性…………

4.2.1115

蜂窝夹层结构在车体侧墙应用……

4.2.2119

蜂窝夹层结构在车体地板的应用…………………

4.2.3122

蜂窝结构在车端吸能装置上的拓展应用…………

4.2.4131

泡沫夹层结构及其在轨道车辆应用…………

4.3133

泡沫夹层结构的力学特性…………

4.3.1133

泡沫夹层结构在列车车体的应用…………………

4.3.2138

泡沫夹层结构在地板的应用………

4.3.3139

5纤维增强复合材料结构与轻量化…………………

144

纤维增强复合材料及应用概况………………

5.1144

纤维增强复合材料的特点…………

5.1.1144

纤维增强复合材料的分类…………

5.1.2146

各型纤维增强复合材料的特色……

5.1.3147

纤维增强复合材料在轨道车辆应用概况…………

5.1.4150

纤维增强复合材料力学性能与成型工艺……

5.2152

纤维增强复合材料力学性能………

5.2.1152

纤维增强复合材料制造工艺………

5.2.2153

纤维增强复合材料在车体结构上的应用……

5.3158

在高速列车上的应用………………

5.3.1158

在地铁列车上的应用………………

5.3.2164

在高速磁浮列车上的应用…………

5.3.3165

在铁路货车上的应用………………

5.3.4168

纤维增强复合材料在转向架结构上的应用…………………

5.4174

纤维增强复合材料在车辆内饰件上的应用…………………

5.5179

纤维增强复合材料在轨道车辆中的其他应用………………

5.6180

6轨道车辆用高分子材料与轻量化…………………

184

轨道车辆用高分子材料概况…………………

6.1184

轨道车辆用橡胶材料及其轻量化……………

6.2187

橡胶的特点与分类…………………

6.2.1187

4

橡胶材料的常用性能及特征………

6.2.2189

轨道车辆橡胶构件的轻量化应用…………………

6.2.3193

轨道车辆用高强度塑料及其轻量化…………

6.3197

塑料的特点分类与性能…………

6.3.1、197

轨道车辆高强度塑料的常用力学性能……………

6.3.2198

轨道车辆用高强度塑料及其轻量化应用…………

6.3.3202

7轨道车辆的结构轻量化及连接工艺………………

207

结构轻量化设计基础…………

7.1207

结构优化设计的力学基础…………

7.1.1207

结构轻量化设计的强化路线………

7.1.2209

典型车体结构优化……………

7.2211

总体原则……………

7.2.1211

高速列车车体结构优化实例………

7.2.2213

不锈钢车体结构优化实例…………

7.2.3214

车体焊接结构优化实例……………

7.2.4215

转向架结构轻量化……………

7.3217

转向架结构轻量化的总体情况……

7.3.1217

转向架结构轻量化…………………

7.3.2219

副构架式转向架轻量化……………

7.3.3225

货车转向架减重实例………………

7.3.4226

轻质车辆结构的连接技术……………………

7.4227

结构连接技术的总体情况…………

7.4.1227

轻合金铆接技术……………………

7.4.2228

其他高强度粘接技术与轻量化……

7.4.3232

复合材料连接技术…………………

7.4.4236

8轻量化数值优化方法及CAE仿真………………

241

轨道车辆结构轻量化与分析…………

8.1CAE241

车辆结构轻量化与方法……

8.1.1CAE241

车辆轻量化优化设计的内容………………

8.1.2CAE246

车辆轻量化优化设计的流程………………

8.1.3CAE249

结构灵敏度分析……………………

8.1.4250

5

面向结构优化设计的工程化方法及实例……

8.2255

响应面分析方法……………………

8.2.1255

基于遗传算法的结构优化…………

8.2.2263

基于粒子群算法的整车轻量化分析………………

8.2.3268

多目标优化设计……………………

8.2.4271

基于的整车轻量化优化设计实例……

8.3CAE281

整车优化工程应用…………………

8.3.1281

基于的高速列车中间车体整车优化………

8.3.2Isight285

采用的铁路长大货物平车优化………

8.3.3OptiStruct291

9轨道车辆先进轻质材料与结构技术及展望………

295

增材制造技术与轨道车辆轻量化……………

9.1295

增材制造技术………

9.1.1295

纤维增强复合材料打印成型技术……………

9.1.23D299

打印技术在轨道交通领域的应用探索………

9.1.33D301

新型夹层结构的增强设计……………………

9.2306

增强泡沫夹层结构…………………

9.2.1306

点阵结构……………

9.2.2310

多层中空复合材料夹层结构………

9.2.3315

夹层结构增强………………

9.2.4Z-pin316

三维编织复合材料与轨道车辆轻量化………

9.3319

三维编织复合材料特点及分类……

9.3.1319

编织复合材料在轨道交通领域的探索……………

9.3.2322

新材料与新结构技术发展展望………………

9.4324

在轻质金属新材料方面……………

9.4.1324

在多孔夹层结构应用方面…………

9.4.2326

在纤维增强复合材料与结构应用方面……………

9.4.3327

在高分子材料应用方面……………

9.4.4329

在结构优化方面……………………

9.4.5329

参考文献…………………

332

轻量化是载运工具核心技术需求生活中大家都有这样的感受如若身轻如燕

。,:,

则可健步如飞质量轻了步子启动与加速所需的能量自然而然地变小了除此以

。,。

外蜂巢莲藕人体骨骼等都是大自然巧夺天工轻量化设计的杰作正是众多鲜活

,、、、。

的生活实例与切身体验使人们很自然地将轻量化与节能降耗操控等性能参数密切

,、

联系起来不断地激励着科研工作者们探索和寻找更优答案

,。

1.1轨道车辆轻量化问题的提出

在工程技术领域车辆轻量化的概念最先起源于赛车运动赛车设计师们不断追

,,

求车辆轻的极致以期在比赛过程中使赛车发动机输出的动力能够产生更高的加速

“”,

度并且获得比其他车辆更优的操控性能正如我们平常购买私家车时都希望自己

,。,

所驾驶的车辆可操作性特别好这就需要车辆相对较轻因而质量与驾驶体验密切

,。,

关联同时也建立了体感与车辆轻量化间最直接的关系另一方面轨道车辆的轻量

,。,

化是应对节能减排而催生的关键技术本书所指轨道车辆为泛指涵盖铁路机车车辆

(,、

动车组轨道车辆磁浮列车等

、、)。

1.1.1节能减排是机车车辆工业发展的必然趋势

步入世纪以来能源短缺环境污染气候变暖是