摘 要

高速铁路在交通网络、速度、成本、准时性方面都具有极大优势，在高铁网络运行的闲余时间利用高铁运送货物可以解决航空运输费用高、汽车运输效率低的问题，并将会对当前国内快递和货运的发展格局产生重大影响。然而想要发展高速货运动车组,我们首先面对的问题就是：现有载运设备、集装化器具不适应货运作业需求的问题，因此设计一款适用于现有高铁空间结构，方便货物装载和运输的高铁集装器是非常必要的。

本次毕业设计的主要内容是通过有限元分析的方法计算集装器极限工况的应力，并以此为依据对集装器进行结构优化设计。本文首先根据现有动车组结构及内部空间，在参考航空冷链集装器结构的基础上，基于UG建立了一款适用于高铁运输的非保鲜类货运集装器具体结构的三维模型，然后利用hyperworks进行有限元网格划分及应力计算，最后根据计算结果对原始方案进行一定的改进。仿真结果表明，最终的集装器模型的强度和刚度都满足设计工况下的载荷要求。本文为高铁集装器的结构设计提供了一定的思路。

关键词：货运动车组；集装器；有限元分析；结构设计

Abstract

High-speed railway has great advantages in transportation network, speed, cost and punctuality. In the spare time of high-speed railway network operation, using high-speed railway to transport goods can solve the problems of high air transportation cost and low efficiency of automobile transportation, and will have a significant impact on the current domestic express and freight development pattern. However, in order to develop high-speed freight train units, the first problem we are facing is that the existing transport equipment and equipment cannot meet the needs of freight transport operations. Therefore, it is necessary to design a high-speed rail container suitable for the existing high-speed rail space structure to facilitate the loading and transportation of goods.

The main content of this graduation project is to calculate the stress of the ultimate working condition of the assembler by finite element analysis, and to optimize the structure of the assembler based on this. Firstly, according to the existing EMU structure and internal space, and referring to the structure design of aviation cold chain container, a freight container suitable for high-speed rail transportation is designed. Then, a three-dimensional simulation model of the specific structure of the container is established based on UG. Finally, finite element meshing and stress calculation are carried out by Hyperworks. The calculation results show that the structural strength of the assembler model is enough to bear the load under the ultimate condition. This paper provides some ideas and methods for the structural design of high-speed rail assemblies

Key words: Freight EMU; Container; Finite Element Analysis; Structural DEsign

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究主要研究内容和预期目标 2

1.4 本章小结 3

第2章 有限元分析的理论基础 4

2.1 有限元方法概述 4

2.2 有限元方法计算原理 4

2.3 有限元分析在结构设计方面的应用 4

2.4 本章小结 5

第3章 集装器模型的建立与设置 6

3.1 三维模型建立 6

3.2 有限元模型建立 8

3.3 集装器材料的选择与设置 12

3.4 目标工况的载荷及约束条件设置 12

3.4.1 冲击工况下载荷设置和约束条件 12

3.4.2 侧面偏载工况下载荷设置和约束条件 13

3.4.3 背面偏载工况在载荷设置和约束条件 14

3.5 本章小结 14

第4章 初始模型的计算结果分析 16

4.1 冲击工况极限载荷分析 16

4.2 侧面偏载工况极限载荷分析 18

4.3 背面偏载工况极限载荷分析 19

4.4 本章小结 20

第5章 模型修正及其结果分析 21

5.1 原模型不足之处 21

5.2 模型改进方案 21

5.3 改进后的结果分析 22

5.4 本章小结 23

第6章 研究总结与展望 24

6.1 本研究内容总结 24

6.2 本研究内容的不足之处与课题展望 24

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

研究背景与意义

随着国家经济的增长，国民的消费水平和消费需求都飞速上涨，其中我国电商发展尤为迅速，2018年全年中国快递业务累计完成包裹运输507.1亿件,其中绝大部分快递业务都是通过公路物流完成。然而汽车物流在长途运输过程中会出现载重质量相对小，运输成本的高昂，并且不适合承载重件以及大件的货物等缺点，相比之下铁路运输则是一种既经济又相对环保的运输方式，高速铁路运输在未来有可能替代卡车和航空运输。

中国拥有世界上使用率最高的铁路网，过去10年铁路运输量翻了一番，铁路继续在客运和货运市场占有重要份额^[1]。 而另一方面，我国传统的铁路运输车辆、运输设施和相关的基础设施渐渐不能满足当前中国日益发展的电子商务对新型交通运输系统的要求,由此可见我国当前的铁路货运系统需要进一步的更新与发展。目前来看，通过开发全新的铁路快速运输产品，例如货运列车以及相应的设备是一种有效的解决方案^[2]。如果能够充分发挥高速铁路高速、高时效性、高安全性等优势，利用高铁夜晚过剩的运力，并联合其他的例如汽运和空运、海运等物流网络,就有可能为中国国内物流提供一种全新的解决方案^[3]。

截止到2018年的年底，中国已经在运行的高铁动车总里程已经接近3万公里。高速铁路在连接其它交通网络、运行速度、运输成本以及运输准时性等方面都具有极大优势。由于夜间乘高铁人数极少，我国高铁在夜晚不进行运输作业，目前我国高铁的运行时间为6：00-24：00，因此在高铁网络运行闲余时间利用高铁运送货物可以充分发挥高铁运力，可以有效解决航空运输费用高昂、汽车运输效率低、速度慢、不环保的问题，并且将会对当前国内快递和货运的发展格局产生重大影响。

然而想要开始发展我国自主的高速货运动车组我们依然面临很多挑战：运载车辆、载运设备、运输集装器具不适应货运作业的需求，载运设备在人工装载时装卸能力和载运能力等方面不适用等^[4]。另外由于现在客运动车的车门宽度存在一定限制，现有的装载设备在进出车厢时存在诸多不便，而且我国目前的物流装卸过程主要还是由人力装卸来实现的，因此在没有专门的货运列车和装载集装器的情况下，在现有的高铁列车组里装卸货物会导致工人的装卸过程与这种车组里以及车站里的客流形成严重相互干扰。当前高铁列车在站点停靠时间又大多在5分钟以内，难以在时间上同时满足旅客乘降和货物装卸作业的需要，另外高速动车组的运输过程货物会受到车身和货物双重作用的影响，加速和制动过程中的加速度影响^[5]。

把货物集装化运输是世界货物运输发展过程中的一个重要节点,这种集装化的运输方式具有容易整理、分类简单、装载容易、安全可靠等优势，因此这种运输方式在我们当代的物流运输中占有十分重要的地位^[6]。货物的集装化运输可以有效降低货物运输成本，并且便于工作人员进行相应的机械化作业，也方便企业进行多种运输方式的联合运输从而提高效率，另外还有环保和安全性高的特点。综上所述，开展高铁专用集装器的结构设计和优化具有重要意义。

国内外研究现状

目前我国铁路快递件主要使用的是中铁快运B型专用箱、高铁专用箱和集装袋这几类集装化器具完成铁路的货物运输。从使用效果上来看这些集装器都十分不便于货物的搬运以及后期运输转载^[7]。而当前没有统一的标准集装器的情况下，我们国家主要通过提放搬运的人力作业的方法进行货物运输，这就直接导致了每次的装卸过程最多只能运输两箱的货物，并且工作人员在搬运行走的过程中还可能会妨碍相关旅客或者可能碰撞到列车座椅和维护人员，因此这种方式对搬运人员具有极高的要求，因此导致搬运成本激增。我国目前没有专用的高速货运列车，铁路快运列车组主要是由行李车组成的。值得注意的是中车唐山机车车辆有限公司正在着手开发时速250km的专用货运列车^[8][9]。

国外有关高速货运铁路的研究与应用也并不多，目前只有法国，德国等少数发达国家在尝试在高速铁路上运营货运列车。截至目前，世界上只有两种类型的高速铁路货运列车：一种是如来自法国的TGV邮政专用列车这种从普通的高速旅客列车直接转换而来；另一种是如来自法国的Sernam200列车和来自德国的DBSgss-y703列车这种把普通货运列车直接放在高速铁路上运营的^[10]。

相比专用高速货运列车的开发进程，有关高铁专用集装器的研究更是寥寥无几，目前高速动车组集装器主要是改造航空冷链的航空集装器而来的^[11]。实际上参考航空冷链集装器不仅有利于新型高铁集装器的产品设计，还有利于物流公司对集装器进行的^[12]。

研究主要研究内容和预期目标

本研究基于国内外的研究现状，在深入了解高铁运输的可行性以及前景的前提下，在参考现有航空集装器结构的基础上，设计了一种基于高速铁路运输的货运集装器。本研究的主要内容如下：

1. 设计一种新型的便于安装在高铁列车上的货运集装器，并建立其三维模型。
2. 将三维模型进行一定的几何简化处理，导入hypermesh中有限元模型，并基于一定的假设根据实际工况对有限元模型施加载荷和约束条件。
3. 基于OptiStruct计算得到极限工况下的集装器应力图和位移图，探讨不同参数如材料种类、板材厚度等对集装器工作状况的影响，并寻找最合理的搭配方案。

本章小结

本章节介绍了国内外货运高铁列车组的发展情况以及目前用于高速铁路运输的集装化器的局限性，重点阐述了发展高铁货运列车组以及相应的集装化器具的必要性，最后阐述了本文的研究内容和研究方法。

第2章 有限元分析的理论基础

有限元方法概述

有限元分析是一种用于解决复杂工程问题、数学问题、物理问题的求近似解的数值分析方法。有限元分析在实际的工程应用中具有非常广的适用面，类似于模型结构的分析问题、热传导的分析问题、流体流动的分析问题、质量传输问题、电磁电位问题等都可以用有限元分析法来解决。这些范畴内的常见问题包括以下几类：涉及不规则几何形状的复杂结构问题、涉及不均匀荷载和不同材料性质的应力分析问题，而这些问题经常不能直接通过解析的形式求得其数学解。还有一些仿真工程的解析解要通过求解非常复杂常微分方程或偏微分方程才能得到，甚至有很多模型由于其复杂的几何特性、负载特性和材料特性经常得不到解析解，因此在实际过程中我们需要依靠有限元分析的方法来求近似的解。

有限元方法计算原理

用有限元分析的方法求解问题不同于解微分方程的过程，有限元分析是要解联立的代数方程组。这些数值解给出连续体中多个离散点的未知量的近似值。因此建立有限元模型的过程是将单个物体根据一定的有限元划分规则继续划分为由更小的物体或有限元单元组成的等价的结构系统，这些有限元单元往往与多个其它的有限元单元相互连接，某些与边界线或边界表面相连，这个整个有限元单元划分的过程叫做结构模型的离散化。有限元分析的基本过程如下：

1. 离散整个要分析的结构或物体;
2. 建立每一个有限单元的方程；
3. 组合这些方程得出整个物体的解答。

简言之，结构问题的求解通常是指确定每个节点的位移和构成承载结构的每个单元内的应力^[13]。

有限元分析在结构设计方面的应用

以前计算机技术还不发达的时候，产品设计团队通常只能采用经验法和类比法进行设计而忽略力学性质的影响，这种类比方法的效率十分低下而且由于忽略了载荷所产生的应力集中,这种方式有可能导致整体框架的部分变形甚至板材断裂，因此要不断地进行实验来改进结构。现在我们处在计算机辅助设计技术发展和成熟的时代，我们对静力学分析的研究也随之进入了计算机仿真的时代，这些问题都可以得到很好的解决。目前我们研究结构应力和结构强度所用的方法基本上是就有限元法。对模型的结构和强度进行静力分析的是指在获得模型应力分布的情况下对模型可行性进行验证，在有限元分析前一定要先对模型的结构进行一定的几何前处理，从而使其能产生高质量的有限元单元，再在预先设计的负载条件下分析模型结构的强度和刚度，其指标通常是应力大小和变形量。静力分析的作用在于计算出模型结构的变形量、模型结构应力从而能够在校核材料的强度、刚度等重要数据的时候提供有效的参考。这里对集装器结构进行静力学分析的目的在于为后续优化方案提供参考，如结构轻量化等。

通过这种有限元方法我们可以轻松地设置模型建模过程中各种必要的参数而无需频繁进行实物试验，大大节省了设计的时间成本和费用。

在确定计算科目后，我们还应该考虑模型边界条件、模型负载大小以及模型的负载是否分布均匀等情况。集装器不同的工况下其边界条件不尽相同，除此之外正确地施加载荷和约束也十分重要。载荷施加的不合适会导致结果的准确性出现十分严重的问题。此次研究设计本文通过分析以下三种工作状况:冲击工况、背部偏载工况、侧偏载工况展开对集装器整体的静力分析。由于这三工况载荷大小是一样的，所以我们在分析时要改变的是约束条件和载荷方向，当载荷方向和约束条件都设定好后就可以对集装器进行静力分析,在得到计算结果后通过hyperview可以得到结构的应力分布和位移云图，找到最大危险区域，校核其是否满足设计要求。

本章小结

这一章介绍了有限元分析的基本原理和方法，有限元方法的基本思想就是求解模型的离散化和近似求解。对于不能直接通过解析解的形式求得数学解的计算模型，例如涉及不规则几何形状的复杂结构问题、涉及不均匀荷载和不同材料性质的应力分析问题等都可以得到很好的解决。目前我们研究结构应力和结构强度所用的方法基本上是就有限元分析法。

第3章 集装器模型的建立与设置

三维模型建立

由于在设计时要满足轻量化需求,所以集装器自身质量不能过大,因而本集装器采用了大量的铝合金材料，然而铝合金材料在刚度和强度上和普通钢材相比都具有明显不足。如何尽可能的减少其质量而依然使其强度达到产品要求成为了一个富有现实意义的问题，只有不断地进行参数调整和计算才能找到合适的方案。

现在已经存在的建模软件有很多种,如 UG、CATIA、Solid Works等等，他们功能大体相同。本文进行三维建模使用的是UG软件，它操作的方式十分简单，但它的功能又十分丰富和好用，并且UG创建好的三维模型可以直接导入到hypermesh之中进行后续的单元网格划分工作。

根据材料力学知识，梁结构主要破坏形式是压弯和剪断，这类型材越接近中性轴部分的材料变形越小，承载弯矩扭矩的作用越低，因此选择空心管作为框架的梁结构的型材。由于圆形管在焊接和铆接等方面有诸多不便，因此选择方形管。集装器的框架是整个集装器的承重关键，因此暂时将其设置为2mm厚的空心方管，根据以上原则建立集装器框架的三维模型如图3-1所示。

图3-1 集装器骨架三维模型

底座承受整个集装器的重量和载荷，因此要在底座的内部设置数块承重块来防止底座承重板底板的破坏，建立的底座的内部结构如图3-1所示。

图3-1 底座内部结构图

由于蒙皮并不是主要承重件，因此蒙皮的厚度暂时取1mm。基于提高生产效率、降低生产成本的原则，蒙皮和框架之间采用铆钉连接。在框架模型上覆盖蒙皮，建立三维模型如图3-2所示。

图3-2 集装器原始模型

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