CRH3型车体结构.docx
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CRH3型车体结构
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高寒地区列车车体隔热系数计算方法汇总
一、车体结构
根据资料查询，我国列车分为普速列车、快速列车系列、高速列车（CRH）系列。
现取CRH380BL予以说明列车结构。
由CRH380B经由需求而改制性能的型号。
在查询相关资料后，我们将车体传热的部分划分为以下部位：
（车头部位不予传热考虑）
（CRH3系列中间车车体结构分析图）
分析部位即：
端墙、侧墙、底架、车顶
1.1车顶
车顶结构：
车顶结构由大型中空铝合金拼焊而成，把车顶组装成一个单元，在安装完大型车内设备后，再与其他车体构架焊在一起；车顶端部设加强结构，它由横梁、纵梁、盖板等构成。
1.2侧墙
侧墙：
由大型中空铝合金拼焊而成，在型材内侧有T型槽或L型导轨，用来安装内装件或设备；附件的生根方式有粘接、铆焊和焊接等；其铆接的吊码与侧墙之间有塑料垫板，具有减震的功能。
侧墙上有开口，用于固定车床、车门柱、车门安装托架等也是侧墙的一部分。
1.3端墙
端墙：
主要由四部分组成：
门框、角柱、端墙板和端墙附件组成。
端墙用防寒材需要一种具有良好性能的耐火矿物防寒材（岩棉）。
在车顶横梁下焊接内端墙，其与端部车顶、底架通过台部分形成整体承载框架结构，增加整车刚度。
1.4底梁
底粱：
主要由支持车体重量和转向架相接的枕梁；传达前后方向里的侧梁、端梁、中梁；支持客室设备和乘客等并吊装地板下机械部分的横梁几大部分组成。
一、车体各部分传热系数计算
考虑到高寒地区气温较低，需考虑温度对材料传热系数的影响，详见附表一。
将不同部位视作多层平壁进行计算
式中：
为车体内侧换热系数，
；
为车体隔热壁中某层材料的厚度，m；
为车体隔热壁中材料的导热系数，
;
为车体外侧换热系数，
。
对静止列车，参照相关标准，内表面换热系数取
，外表面换热系数取16
。
参考车体各部分材料见附表二，部分材料传热系数见附表三。
门窗结构较为简单，K值可通过实验测得。
如由于现有条件不满足实验测量，可按单层平壁进行计算。
三、车厢整体的传热系数计算
3.1视为一维非稳态，忽略冷热桥的作用
计算Re，判断其是否为重力起作用的有限空间自然对流，从而决定是否采用boussinesq假设进行计算，忽略P变化引起的密度变化，只考虑温度变化引起的密度变化。
同时忽略辐射换热。
将列车整体，围护结构简化为多层平壁进行计算，根据车体内的导热和壁面的对流换热的特点，进行传热计算，得到传热系数K值。
根据车厢各部分的K值，可求得整车的平壁K值KP：
3.2考虑冷热桥作用
由于车体连接形式比较复杂，隔热层处会出现断点，导致热桥的出现，使车体传热出现不均匀性，一维稳态多层平壁传热计算已不能满足精确度，因而必须对热桥进行传热分析。
车体各部分壁面自外向内一般分为3层：
车体、隔热层、内饰件．在内外壁之间经常有穿透螺栓、结构槽钢等热桥构件．由于热桥结构的复杂性，在计算车体K值时，可先按无热桥的平壁结构计算各部分车体的传热系数，然后按照热桥的影响性，对车体K值进行修正．
热桥可以通过热工计算、模拟测试或者实测得出定量的结果。
现在已有一些计算机模拟软件，可以显现出在不同条件下热桥部位的温度与热流状况。
（1）根据中国铁标算法，
未给出具体修正系数
（2）由网络上查询的某动车生产企业内部经验公式：
KS取值固定为1。
（3）根据日本标准算法，考虑热桥影响时，对除窗户外的各部分平壁K值乘以安全系数2，再求得整车的平壁K值。
（4）热桥可以通过热工计算、模拟测试或者实测得出定量的结果。
现在已有一些计算机模拟软件，可以显现出在不同条件下热桥部位的温度与热流状况。
通过修正系数计算热桥，无法判断数据的准确性，故最好采用模拟测试或实测得出定量结果。
3.3考虑列车运行状态
3.3.1静止状态
列车静止时，传热系数按上述计算。
3.3.2列车运行
列车运行时，需考虑外部空气对流换热。
由铁标可知，车厢壁外表面空气对流传热系数：
V:
列车运行速度，单位km/h α：
单位：
W/（m2·K）
运行过程中，内壁传热系数不变，根据此边界条件进行计算，得到K值。
3.3仿真计算法
随着计算机技术的发展，可以采用有限元计算法，对列车车体的热桥结构单独建立模型计算，可以准确反映出热桥结构的复杂传热过程，精确计算热桥结构处的传热系数[5-7]，并分析其对车体传热的影响．
本文用ANSYS有限元软件对该动车组车体中的热桥结构进行模拟计算．以铝合金地板区域槽钢热桥结构为例说明模拟计算过程，其他热桥结构模拟不再一一列举．
首先建立传热模型（图2），然后划分网格，设定边界条件并计算．图3为计算得到的热流密度场．热桥中心处的热流密度最大，由热桥中心向周围热流密度逐渐趋向正常平壁热流密度．以平壁的热流密度作为基准．
当热桥周围某点处热流密度与正常热流密度相差3时，即把该点作为分界点，根据对称性，以热桥中心到该点的距离作为半径的圆面积即为热桥影响面积．此热桥结构的影响半径为0．18m，车体地板共有该结构120个．
热桥影响区域内，平均热流密度通过对各节点的热流密度值积分得到：
式中：
qi为热流密度W/m2；
为面积m2，
热桥区域内的平均传热系数：
式中:
tn为车内温度
，；tf为车外温度，
。
附表一
表1 在不同温度下保温材料的导热系数变化
材料名称
实验温度/°C
导热系数/（W/m2·k）
密度/（kg/m^3）
厚度/mm
玻璃丝绵
25
0.0325
25
35
21
0.0337
15
0.0337
聚酯纤维棉
25
0.0387
24
45
21
0.0353
15
0.0304
聚酯纤维棉
25
0.0333
40
40
21
0.0315
15
0.0272
纳能6350
25
0.018
165
6
21
0.018
15
0.018
纳能10650
25
0.02
170
10
21
0.02
15
0.02
CR-Amaflex
25
0.0319
44
18
、
附表二
附表三
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