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全承载式磁悬浮车体结构轻量化设计分析

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：李华龙

[导读] 摘要：为了满足磁悬浮车辆的运行要求、保障车辆行驶安全，使车体结构更加美观轻便，本文明确了全承载式磁悬浮车体设计概念，并系统阐述了车体结构轻量化的设计理念。

        北京中车长客二七轨道装备有限公司北京市 102433
        摘要：为了满足磁悬浮车辆的运行要求、保障车辆行驶安全，使车体结构更加美观轻便，本文明确了全承载式磁悬浮车体设计概念，并系统阐述了车体结构轻量化的设计理念。本文试从高强钢板与先进制造技术、轻质材料与复合材料应用等方面进行论证说明，对磁悬浮列车车体进行参数化设计，为接下来磁悬浮列车的几何模型与有限元模型建立奠定基础，使车体结构数值模拟更加精确。
        关键词：全承载式；磁悬浮列车；车体结构；轻量化设计
        引言：轻量化是现阶段磁悬浮列车制造与车体结构设计的主流方向，也是实现节能减排的重要手段。磁悬浮车体轻量化设计不只是单纯的减轻车体重量，而是要在保障车辆安全高速的同时提升列车运行性能。
        1.全承载式磁悬浮车体轻量化设计概念
        悬浮列车能耗不到飞机的三分之一，速度效率更高，并且能够在大型枢纽城市与城市群中间确立高速通行走廊，磁悬浮列车正在更加广泛的规划或应用于大型城市和城市群中。随着城市流动人口基数的不断增加，列车运载量的增加至关重要，加强对车体的轻量化设计是未来磁悬浮列车的发展方向。实现磁悬浮列车车体结构的轻量化设计，在增加列车运载量的同时可以保持车辆运行速度，经过对车体外型的优化设计可以降低运行风阻，使车辆运行更加轻便。为了减轻车体重量提高车辆性能，目前磁悬浮列车多采用全承载式车体结构。
        2.全承载式磁悬浮车体结构轻量化设计要点
        2.1高强钢板与先进制造技术
        2.1.1激光拼焊
        激光拼焊技术就是将不同材质、厚度的板料相互拼焊起来，再经过传统冲压成形的方式生产加工出所需形状的零件，全承载式磁悬浮车门内板或门框等部位可以采用这种拼焊板成形技术。该技术的应用在降低零件使用种类的同时，还能增加车体结构尺寸精度，使车体结构整体性突出，降低材料生产成本。受焊缝的影响，激光拼焊板比普通板材的成形极限更低，对生产效率造成一定干扰。由于焊缝两侧的材质不同，所需的变形力也会不同，在磁悬浮车体结构轻量化设计制造时对不同材料施加相适应的压边力，这样做能够减缓焊缝移动。
        2.1.2液压成型
        和以往的冲压成形方式不同，液压成形技术就是应用液态水与油的压力，将其代替刚性凹凸模的方式，利用传力介质让板料贴合凹凸模制造出车体结构轻量化设计所需的零件形状。液压成形技术可以达到车体轻量化的效果，这是因为液压成形零件质量控制能力比冲压成形强，并在一定程度上提高零部件成形极限，这样的成形方式主要用在型面复杂或对精度要求较高的零件。国外采用充液拉深法和充液反拉深法、超声振动充液拉深法等工艺，目前这些工艺技术主要应用于汽车及飞机设计生产过程中，未来将有可能用于全承载式磁悬浮车体结构中。
        2.1.3热冲压成形
        该技术就是应用金属塑性成形的原理，将材料加热到一定温度，随后对材料冲压处理后，在冲压成形的时候对板材进行淬火处理，最终得到的零件具有超高强度，可以满足磁悬浮车体结构轻量化设计需求。热冲压成形技术的应用能够让零件尺寸的精度提高，提升零件表面硬度和耐磨性能，保障磁悬浮列车在超高速状态下行驶安全。
        2.2轻质金属材料的使用
        2.2.1铝与铝合金材料应用
        在众多轻质金属材料中，纯铝的塑性与韧性很强，材料强度低，不适合用在机械受力制件方面，但是铝合金材料不同，其锻铝的焊接加工性能和耐腐蚀效果较好，随着人们对铝合金焊接技术的研究，目前铝合金材料已经被广泛用于车体轻量化设计中。

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和传统钢板材料相比，铝合金材料用于磁悬浮车上有着明确的优势条件，虽然研发成本较高，加工难度大，工艺复杂，但是它能够实现车体结构的轻量化，材料强度高，兼顾防腐蚀和耐热性能，适合用于磁悬浮列车车体制造。目前，大型中空铝型材拼焊的整体承载筒形车体正广泛应用于磁悬浮列车中。
        2.2.2镁与镁合金材料应用
        与上文提到的铝合金材料相比，镁合金材质轻量化程度更高，且同时具有较好的电磁屏蔽性能，材料可以回收，被称为绿色金属材料。但是镁化学性质较为活泼且磁悬浮车体使用环境较为复杂，镁及其合金在磁悬浮车体应用中必须充分考虑防腐蚀措施，目前镁合金主要应用于磁悬浮车体内部结构性小件中。我国地大物博，拥有丰富的镁资源，产量占世界总产量的70％以上，近年来镁合金材料的开发与应用已经被确定为科技攻关重要项目。将镁合金材料用于中小结构件制造的同时，未来还会用于大型件和复杂件的生产制造。
        2.3工程塑料与复合材料的应用
        应用先进的复合材料打造磁悬浮列车车体结构，这是磁悬浮列车轻量化技术的一个重要手段，目前复合材料已经在航天航空、军工领域内广泛应用，该技术同样适用于全承载式磁悬浮车体设计。应用数值模拟技术在计算机内完成车体结构的大部分设计，再经过试验计算实现轻量化设计效果。基于复合材料的磁悬浮车体设计，不仅要做好结构力学性能计算，还要最大限度上满足车体气动优化、车体美学、车体振动控制以及座椅舒适性的设计要求。磁悬浮车体可由不同材料组成，其中包含碳纤维符合材料、高性能玻璃与内饰材料、泡沫材料等。由于复合材料的密度比较小，材料性能存在可设计性特点，全承载式磁悬浮车体结构部件对力学、机械性能、抗震性、防腐性等方面的要求可通过人为调整达到使用要求，复合材料的使用性能优于金属材料。但复合材料制造成本偏高，生产周期比较长，材料应用不易于回收，磁悬浮列车车体制造需要大量复合材料，如何实现材料的规模化生产至关重要。
        车体轻量化设计时，除了镁合金材料和铝合金材料的应用，还可以将工程塑料与复合材料用于其中。工程塑料在强度、耐热性、抗老化等方面有一定的优势，可以代替金属材料并实现车体结构40％以上的减重效果。不仅如此，工程塑料的加工成型效果更好，制造出的产品尺寸更加稳定，这是其他金属材料无法达到的效果。如何对工程塑料材料进行回收利用是接下来材料的重要研究方向。
        2.4车体结构优化设计
        全承载式磁悬浮列车车体结构的优化设计是轻量化设计的一部分，初步设计阶段对车体做出结构优化，通过形状尺寸优化、拓扑优化等方面实现良好的设计效果。拓扑优化指的是在既定设计空间和荷载条件下，明确工艺要求，选择特定工艺，在计算机应用软件的作用下了解材料分布情况和连接方式，该方法适合用在磁悬浮车体结构设计的初步阶段。形状优化的应用是在拓扑优化完成后，对已经完成拓扑设计的车体做出详细化结构设计，选择性价比最高的材料分布和结构形状，对结构尺寸进行轻量化设计，使最终的车体结构优化结果满足强度与刚度设计需求。车体结构的优化需要用到有限元仿真分析方法，Hyperworks、ANSYS、ABQUS等有限元仿真软件正广泛应用于磁悬浮车体结构优化设计中，有限元仿真结果为车体轻量化设计提供了参照和优化方向，有限元仿真技术的应用极大程度上提高了车体结构轻量化设计水平。
        总结：总而言之，随着磁悬浮技术的的发展和更加广泛的应用，对磁悬浮车体轻量化提出了更高的要求。现阶段车辆车体结构设计用到的材料多为高强度钢、铝合金、镁合金等，复合材料也正在试应用于磁悬浮车辆车体设计生产中，随着新技术的发展和轻量化设计要求的提出，将有更多材料和技术应用于磁悬浮车体设计生产中。
        参考文献：
        [1]赵汗冰.高速磁浮列车通过隧道时气动性能研究[D].兰州交通大学，2020.
        [2]陈颖聪.超高速磁悬浮概念设计[J].设计，2019，32（20）：88.
        [3]周勇，程玉民.复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟（Ⅰ）——适应车体设计的参数化有限元模型[J].计算机辅助工程，2019，28（03）：54-60.