高速列车车厢夹层结构优化设计现状研究

甘代伟

（陕西国防工业职业技术学院，陕西户县710302）

专论综述

高速列车车厢夹层结构优化设计现状研究

甘代伟

（陕西国防工业职业技术学院，陕西户县710302）

高速列车车厢夹层结构优化设计已成为新的科研发展方向。综述了高速列车车厢轻量化、结构优化、抗撞击性能、声学性能、多目标优化等方面的研究，分析了研究方法，并探讨了今后的研究方向。

高速列车车厢；夹层板；夹层结构优化设计

根据高速列车的发展可知，高速列车有以下几个发展趋势：（1）高速列车的运行速度越来越高，我国正在不断开发350 km/h及以上速度的高速列车；（2）车厢结构不断追求轻量化，以节约能源；（3）车厢结构刚度越来越好，以保证车厢乘坐舒适性。国外对高速列车车厢结构的研究始于上世纪60年代，典型的有日本、德国、法国等国家。国内的高速列车型号主要有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5.本文综述了国内外高速列车车厢轻量化、结构优化、抗撞击性能、声学性能、多目标优化等方面的研究，分析了研究方法，并探讨了今后的研究方向。

1 高速列车车厢夹层结构优化设计的研究现状

随着列车运行速度的提高，轻量化非常重要，综合起来，实现结构的轻量化有三种途径：（1）使用轻型的高性能材料；（2）对结构进行优化设计；（3）新型制造工艺的开发。国内外一直致力于新型制造工艺技术的开发，也取得了一定成效，然而由于新型制造工艺技术的开发周期较长，同时投入较大，因此目前主要从开发新型轻量化材料和对产品现有结构进行优化设计两个方面来进行轻量化研究，并附之进行了抗撞击性能、声学性能等方面的研究。

（1）轻型高性能材料研究

目前使用最多的是夹层结构复合材料，夹层结构主要包括面板层和夹芯层，它们之间通过胶粘剂粘结而成。一般面板层较薄，采用强度和刚度比较高的材料，芯子采用密度比较小的材料。S I Seo[1]等人则使用轻型高性能的复合材料来设计车厢结构，将上车身壳采用复合蜂窝板，下框架采用不锈钢结构，经过静态和疲劳强度以及防火安全等测试确保了结构的安全性，最终使车厢质量减少了30%；摆式列车车厢采用中空挤压式铝型材作为材料，Jung-Seok Kim[2-5]介绍了韩国摆式列车车厢的制造过程，并采用有限元和试验的方法对韩国的摆式列车车厢的固有频率、垂向变形、截面变形和防火性能进行了测试，结果表明，各项指标都满足要求；David Wennberg[6]采用具有相同承载能力的夹层结构来替换高速列车的金属板和金属梁等主要承载结构，并对夹层结构的夹芯密度和结构尺寸进行了优化设计，设计后校核了车厢结构的强度、固有频率和刚度，结果表明，在满足要求的情况下，车厢结构的总质量减少了30%.

随着研究的不断深入，夹层结构的优点也愈加明显，这种轻型结构材料具有良好的比强度、比刚度、最大抗疲劳性能和表面平整光滑等特点。然而，夹层结构在大型承载工程零部件中的应用却较少，主要是其承受较大载荷条件下的行为性能没有得到深入研究，同时现有制造工艺的限制也是其推广应用的一大障碍。

（2）夹层结构的优化设计方法研究

轻量化技术实现的另一个方法就是结构优化设计。目前国内外对夹层结构的优化设计研究较多，是当前研究的主要方向。结构优化设计是指工程结构在满足约束条件下按预定目标求出最优方案的设计方法，其目的在于用最少的材料和最低的成本来获得结构的最佳性能，包括重量、强度、刚度、稳定性等目标。常用的研究方法有结构拓扑优化方法和有限元软件仿真分析。如A.M.Harte[7]采用有限元软件SAMCEF与优化软件BOSS QUATTRO相结合的方法对轻轨列车的夹层结构进行了优化设计，首先对整体车厢外壳夹层结构进行有限元分析，找到应力最大的面板，然后对该面板分别进行了形状和尺寸优化，形状优化以窗子的圆角半径为变量，结构的质量为目标，尺寸优化以小层板的厚度为设计变量，结构的质量为目标，采用MDQA算法进行优化求解，形状优化后结构的圆角半径由最初的200 mm变成了158.3 mm，质量从132.4 kg减少到129.7 kg，尺寸优化后质量则从129.7 kg减少到112.4 kg；Jung-Seok Kim[8-10]采用了专家系统、遗传算法和有限元相结合的方法对复合结构进行了强度、刚度优化设计，以薄片板的叠放顺序和个数为设计变量，应变率的平方和最小为目标，优化后，结构的刚度提高了，并且薄片板的个数减少了34%.

（3）夹层结构的抗撞击性能研究

夹层结构耐撞性设计是在研究碰撞机理的基础上，通过结构尺寸优化或设计具有特殊吸能单元的新式结构，以提高夹层结构的耐撞性能。

D.Karagiozova[11]等人利用有限元法分析了夹紧了的夹层结构在爆炸中的性能，夹层结构的面板为低碳钢，夹芯为铝合金蜂窝结构，在夹层结构的面板上加载爆炸产生的压强随时间的载荷图，得到夹层结构的性能，结果表明，在夹芯结构一定时，传到底面板的载荷大小取决于爆炸产生的载荷大小、夹芯的厚度和夹层板的弯曲刚度等；G.Belingardi[12]研究了高速列车头部的夹层结构的碰撞性能，夹层结构的面板为玻璃纤维树脂面板，夹芯为聚合泡沫，试验结果表明夹层结构的碰撞性能主要依赖于泡沫夹芯材料的强度性能，在泡沫夹芯中增加一层树脂墙可以增加夹层结构的抗冲击性能；Patrick M.Schubel[13]评估了夹层结构在碰撞之后结构的残余机械性能，结果显示，夹层结构碰撞后产生的面板层分离对夹层板的承载载荷非常不利。

从国内外研究结果来看，仅靠对传统结构进行优化来提高结构耐撞性能是有限的，设计高效的吸能单元是提高结构耐撞性能的主要途径。

（4）夹层结构的声学性能优化设计研究

由于夹层板力学和隔声方面的性质相比于传统材料存在着非常大的差别，对于外部激励而引起的辐射噪声问题，目前还缺乏理论分析模型，国内外对夹层结构的声学性能的研究很少，相关的研究还处于初步阶段，基础数据还不够完善。所以，研究夹层结构的固有频率、隔声特性及低噪声结构设计具有非常重要的意义。如Per Wennhage[14，15]对夹层结构的声学性能进行了优化设计，在满足刚度、强度和隔声性能约束的前提下，追求了夹层板的轻量化设计，隔声性能以夹层板降低声音大作为表征，以面板和夹芯厚度、夹芯密度作为设计变量，最大变形、应力和隔声性能作为约束，建立目标、约束与设计变量之间的关系，最终使用移动渐近线的方法（MMA）进行了优化求解，优化后结构的的密度从40 kg/m3降到了23 kg/m3.

（5）多目标优化设计研究

高速列车车厢结构的性能指标很多，如质量、刚度等，针对不同的运行速度、运行环境，优化设计所追求的目标也不同。为了使各个目标之间达到一个较好的平衡，需要对高速列车车厢结构进行多目标优化设计。G R M Mastinu[16]等人对列车车辆的布局进行了多目标优化设计，以达到车辆的最低生命成本，目标函数有质量、舒适性等5个指标，车厢长、轮对数等11个参数作为设计变量，以车厢截面宽、每轴重最大载荷等4个指标为约束，根据理论知识建立各目标、约束函数与变量之间的关系，最后利用遗传算法求得了Pareto优化解集。

目前多目标优化的对象普遍具有局限性，国内外研究也较少，因此多目标优化设计研究仍是未来主要方向。

2 结束语

目前对高速列车车厢的研究主要有对现有车厢结构进行强度、刚度和疲劳校核，并对局部结构进行了静态载荷下的尺寸优化研究，优化的部件有主要承载结构、强度较大和不足处以及对某项指标不敏感部位，约束函数大都为应力和位移，追求结构轻量化，尺寸优化的方法有下面几种：（1）通过经验设计结构，然后进行有限元分析；（2）设计很多组试验进行有限元分析，从满足要求的方案中选择最优的结构；（3）利用优化软件OptiStruct或ISIGHT或ANSYS等进行尺寸优化设计。总体来说，目前研究的大多是单一对象，优化工况的载荷都是静态载荷，没有考虑多目标下空气动力载荷、噪音等对车厢的影响。因此多目标下空气动力载荷对车厢结构的优化设计和夹层结构的声学性能研究将是未来研究的主要方向。

参考文献：

[1]Seo S.I.，Kim J.S.，Cho S.H.Development of a hybrid composite bodyshell for tilting trains[J].Proceedings of the In stitution of Mechanical Engineer Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2008，222（1）：1-14.

[2]Kim J.，Lee S.，Shin K.Manufacturing and structural safety evaluation of a composite train carbody[J].Composite Struc tures，2007，78（4）：468-476.

[3]Kim J.，Jeong J.Natural frequency evaluation of a composite train carbody with length of 23m[J].Composites Science and Technology，2006，66（13）：2272-2283.

[4]Kim J.，Jeong J.，Lee S.Numerical and experimental studies on the deformational behavior a composite train carbody of the Korean tilting train[J].Composite Structures，2007，81（2）：168-175.

[5]Kim J.，Jeong J.，Cho S.H.，et al.Fire resistance evaluation of a train carbody made of composite material by large scale tests[J].Composite Structures，2008，83（3）：294-303.

[6]Wennberg D.A Light Weight Car Body for High-Speed Trains[D].Stockholm：KTH Royal Institute of Technology，2009.

[7]Harte A.M.，Mcnamara J.F.，Roddy I.D.A multilevel ap proach to the optimisation of a composite light rail vehicle bodyshell[J].Composite Structures，2004，63（3-4）：447-453. [8]Kim J.，Kim C.，Hong C.Knowledge-Based Expert Systemfor Optimal Stacking Sequence Design of composite structures[J]. Journal of Composite Materials，1999，33（13）：1243-1274.

[9]Kim J.，Kim N.，Han S.Optimal stiffness design of composite laminates for a train carbody by an expert system and enu meration method[J].Composite Structures，2005，68（2）：147-156.

[10]Kim J.，Kim C.，Hong C.Optimum design of composite structures with ply drop using genetic algorithm and expert system shell[J].Composite Structures，1999，46（2）：171-187.

[11]Karagiozova D.，Nurick G.N.，Langdon G.S.Behaviour of sandwich panels subject to intense air blasts–Part 2：Nu merical simulation[J].Composite StructuresSixth International Conference on Composite Science and Technology，2009，91（4）：442-450.

[12]Belingardi G.，Cavatorta M.P.，Duella R.Material charac terization of a composite-foam sandwich for the front struc ture of a high speed train[J].Composite StructuresImpact on Composites 2002，2003，61（1-2）：12-25.

[13]Schubel P.M.，Luo J.J.，Daniel I.M.Impact and post im pact behavior of composite sandwich panels[J].COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING，2007，38（3）：1051-1057.

[14]Wennhage P.weight minimization of sandwich panels with acoustic and mechanical constraints[J].Journal of Sandwich Structures and Materials，2001，3（1）：22-49.

[15]Wennhage P.Structural-acoustic optimization of sandwich panels[D].Stockholm：Royal Institute of Technology，2001.

[16]Mastinu G.R.M.，Gobbi M.On the optimal design of rail way passenger vehicles[J].Proc Instn Mech Engrs Part F，2001，215：111-124.

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

项目来源：陕西国防工业职业技术学院院级课题（编号：Gfy15-07）

甘代伟（1983-），男，福建宁德人，工程硕士，讲师，主要研究异质金属曲面波纹夹层板。