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摘要 随着我国铁路列车速度不断提高，要求列车结构向着轻量化、低重心的方向发展，为了满足这一需求，列车车体高度也不断降低。但是列车的高度的降低会引起列车室空间的降低，所以为了满足列车空间的需求，需要对列车的地板进行减薄改造，以满足车体改造的要求。列车地板的减薄会使得其隔热性能下降，因此本文对列车地板进行了隔热优化研究。
关键词 列车；地板；隔热
中图分类号 U270 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）092-0188-03
随着国民经济的发展，人们生活水平的提高，人们对交通系统的快捷性和舒适性的要求不断提高。近些年来，随着我国铁路的电气化改造、提速和新型高速列车的开发都显示出我国铁路运输较快的发展态势，列车的舒适性也越来越多的引起了人们的关注。我国铁路列车速度不断提高，使得列车结构向着轻量化、低重心的方向发展，为了满足这一需求，使得列车的高度也不断降低。但是列车的高度的降低会引起列车室空间的降低，所以为了满足列车空间的需求，需要对列车的地板进行减薄改造，以满足车体改造的要求。然而列车地板厚度的降低将会降低列车室内环境的舒适性，列车地板厚度的减薄，将会影响它的隔热性能，使得列车车体的得（失）热量增加，不仅增加了能耗，同时还降低了列车的热舒适性。
由于车体骨架和连接构件的存在，隔热层组织会出现断点，导致冷桥的出现，使车体传热出现不均匀性。冷桥的存在增加了列车地板的局部传热，降低了列车地板的平均热阻，恶化了列车地板内表面的温度环境，严重时，有可能在冷桥节点处的内或外表面结露，传热在湿工况下进行形成恶性循环。因此，列车地板冷桥传热影响着空调车厢体围护结构的保温效果，有必要对列车地板冷桥传热损失进行准确的分析，以便采取各种技术措施来降低列车地板冷桥传热损失，以促进空调客车保温层结构组织的进一步完善。
为了满足高速列车低重心、轻量化的改造要求，同时要保证列车车室空间，本文对现的列车地板进行减薄研究，运用有限元法对列车地板隔热性能进行数值模拟研究，主要包括以下内容：先对现有列车地板模型进行数值模拟，根据模拟结果提出改进，然后对改进结构进行仿真模拟验证。
1 冷桥
冷桥是由于某种材料的导热系数远远大于它周围材料的导热系数而產生的，列车地板容易产生冷桥的部位一般有螺栓、螺钉、钢垫板及安装梁等金属构件。通常为了确定冷桥的影响，需要确定冷桥的影响面积，以平壁的温度场及热流密度场作为正常的基准，冷桥中心的热流密度最大，由冷桥中心向周围温度逐渐趋向正常温度，热流密度逐渐趋向正常热流密度。当到达某点时温度与正常温度相差3%以内，而且热流密度与正常热流密度相差3%以内，即把该点作为分界点，并以此确定出冷桥的影响面积。
2 传热理论分析
在列车地板的热传导过程中，由于列车地板并非均匀的材质构成，在列车地板的螺栓、螺钉、钢垫板及安装梁等金属构件处容易形成冷桥现象，并且在钢钉等处是贯穿整个地板的，因此在此处形成的冷桥现象又称“穿透冷桥”。冷桥的存在会导致车体传热系数的增加，使得其隔热性能降低。因此在计算列车地板的导热系数时不能再按简单的计算方法来计算其导热系数，应当考虑冷桥带来的影响，计算出整个列车地板的等效导热系数。
在出现冷桥而形成热流短路的情况下，其温度分布是三维空间或二维平面问题，不能按一维稳态温度场来研究。这时，根据傅立叶定律数学方程式可以写成：
列车地板的内表面的温度是受车外温度影响的，随着车外温度的变化，列车地板内表面的温度也随着变化，但在计算列车地板内表面温度的时候，只要出现低于车室内空气露点温度就会在列车地板的内表面结露，因此必须保证列车地板内表面温度不低于空气露点温度。
3 列车地板结构的优化分析
以列车地板为研究对象，通过ANSYS模拟软件对运行工况下的列车地板进行热工特性模拟分析，提出地板隔热改进结构。
地板的隔热仿真分析的步骤可以分为建立物理模型、网格划分、加载边界条件、求解和结果后处理，通过对地板冷桥的分析，建立具有代表性的物理模型，对输出结果的分析，提出改进结构。
3.1 列车地板模型的建立及仿真分析
列车地板是一种层合型材料，结构比较复杂，为了简化计算，需要对地板模型进行简化。由于需要考虑冷桥的影响，并且冷桥部位具有不对称性，需要建立三维模型。简化后模型如图1、2、3。
因为所建立的模型为三维模型，定义此模型的单元类型为Solid90，文中所有的三维模型均采用Solid90的单元类型，以后不再赘述。此模型的组成材料及材料导热系数如表1：
由于本文所研究的列车地板并不是列车实际运行中的地板，因此主要研究列车地板的导热性能，所以对所建的物理模型均施加第一类边界条件，温度载荷分别为20℃和30℃，分别施加在三维模型的上下表面，并认为三维列车地板的其它四个面为绝热面。
对列车地板三维模型进行网格划分，设置网格划分精度为5，划分完的网格图如图4：
对有冷桥模型的模拟结果进行分析，由于冷桥现象主要存在钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处，因此主要分析这些部位处的温度场和热流密度场。
针对冷桥影响的关键部位，列出了地板中第一个钢钉（坐标：x=-0.205，z=-0.11）处的剖面的温度场分布图，具体如下图5：
从图5可以看出，在有钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处存在明显的温度不均匀现象。同时从图上也可以看出，由于铝梁、钢钉、钢垫板等所占面积区域比较大，即冷桥部位面积较大，使得温度不均匀区域面积较大。
有冷桥模型的热流密度场同温度场的分析相同，主要是分析地板第一个钢钉（坐标：x=-0.205，z=-0.11）处的剖面的热流密度场分布图，如图6：
从图6可以看出，钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处热流密度值偏大且存在明显的热流密度不均，使得其周围热流密度值也偏大。在钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处冷桥现象更为明显，热流密度最大值可达P=489.689 W/m2。 由于列车地板模拟分析是稳态分析，根据模拟结果运用面积加权法，可以求出有冷橋三维模型上表面的平均热流密度p=15.2 W/m2，当列车车速确定，对流对列车地板的隔热性能就可以确定，因此可以将列车地板的导热系数λ作为评价列车地板隔热性能的指标，由公式：
3.2 列车地板改进方案
针对上述仿真分析结果，以及为了满足列车改造的要求，对列车地板做以下两点的改进：
1）为了满足车体改造的要求，地板的厚度进行减薄，将地板的矿棉层由原来的35 mm压缩到4 mm，即列车总厚度减薄成40 mm厚度地板，18 mm铝蜂窝地板换成了18 mm泡沫铝地板，泡沫铝地板导热系数为0.0142 W/（m.K）。
2）造成冷桥的影响过大的原因是试件中钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部件所占比例过大，因此需减小其所占比例，即将铝梁、钢垫板及橡胶垫等部分由原来的200 mm长简化到50 mm长，去掉地板中固定铝梁和钢垫板的螺栓，使用焊接的方式将其焊接在波纹地板上，并将地板安装梁底层的两层钢垫板和一层橡胶垫板简化成一层钢垫板。另外将无钢钉位置处的铝梁、钢垫板、橡胶垫换成厚度为4 mm的橡胶垫，并置于波纹地板突起部位。上述改进方案理论不仅可以削弱了冷桥的影响，同时也降低了列车地板的重量，满足现在列车改造的要求。接下来进行仿真分析对改进结构进行验证。
3.3 对列车地板改进模型的仿真分析
对改进模型模型温度场进行分析，主要分析钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处冷桥的影响，下图给出了改进模型中第一个钢钉（坐标：x=-0.205，z=-0.165）处的横向剖面的温度场分布图，如图7：
从上图可以看出，在有安装梁、钢钉、钢垫板等处还存在温度不均匀现象，但总体上温度相对比较均匀，冷桥影响范围也减小。还可以发现，泡沫铝地板代替铝蜂窝地板后，由于地板厚度不能均匀引起的温度不均匀性明显改善。
分析改进模型模型的热流密度场，主要是分析第一个钢钉（坐标：x=-0.205，z=-0.165）处的横向剖面的热流密度场分布图，如图8：
从图8可以看出，试件3中冷桥的影响范围已经非常的小了，只在铝梁和钢钉处还存在的热流密度不均现象，且热流密度峰值只出现在钢钉处p=655.394W/m2，其他部位热流密度非常均匀都在72.822W/m2以下。从图3-8也能看出，冷桥的影响范围明显
减小。
针对改进模型模拟结果运用面积加权方法，可以求出有冷桥模型上表面的平均热流密度p=6.9W/m2，由公式（2）可以求得，改进模型模型的等效导热系数λ=0.028 W/（m.K）。由改进前与改进后试件的λ值比较发现0.028远远小于优化前0.106，达到了隔热优化的目的。
参考文献
[1]李莉，敬俊娥，姜云海，李绪泉.基于冷桥分析的列车车体K值优化计算[J].青岛理工大学学报，2010，2，31.
[2]吴俊云，王刚，刘训海等.空调客车厢体结构传热数值分析[J].上海理工大学学报，2005，27（4）：287-290.
[3]王润泉.车体隔热壁传热系数计算的新方法及其简化计算[J].铁道学报，1988，12（2）：11-15.
[4]翔祥云.车体隔热壁传热系数计算方法的分析比较[J].铁道机车车辆，1987，2：16-18.
关键词 列车；地板；隔热
中图分类号 U270 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）092-0188-03
随着国民经济的发展，人们生活水平的提高，人们对交通系统的快捷性和舒适性的要求不断提高。近些年来，随着我国铁路的电气化改造、提速和新型高速列车的开发都显示出我国铁路运输较快的发展态势，列车的舒适性也越来越多的引起了人们的关注。我国铁路列车速度不断提高，使得列车结构向着轻量化、低重心的方向发展，为了满足这一需求，使得列车的高度也不断降低。但是列车的高度的降低会引起列车室空间的降低，所以为了满足列车空间的需求，需要对列车的地板进行减薄改造，以满足车体改造的要求。然而列车地板厚度的降低将会降低列车室内环境的舒适性，列车地板厚度的减薄，将会影响它的隔热性能，使得列车车体的得（失）热量增加，不仅增加了能耗，同时还降低了列车的热舒适性。
由于车体骨架和连接构件的存在，隔热层组织会出现断点，导致冷桥的出现，使车体传热出现不均匀性。冷桥的存在增加了列车地板的局部传热，降低了列车地板的平均热阻，恶化了列车地板内表面的温度环境，严重时，有可能在冷桥节点处的内或外表面结露，传热在湿工况下进行形成恶性循环。因此，列车地板冷桥传热影响着空调车厢体围护结构的保温效果，有必要对列车地板冷桥传热损失进行准确的分析，以便采取各种技术措施来降低列车地板冷桥传热损失，以促进空调客车保温层结构组织的进一步完善。
为了满足高速列车低重心、轻量化的改造要求，同时要保证列车车室空间，本文对现的列车地板进行减薄研究，运用有限元法对列车地板隔热性能进行数值模拟研究，主要包括以下内容：先对现有列车地板模型进行数值模拟，根据模拟结果提出改进，然后对改进结构进行仿真模拟验证。
1 冷桥
冷桥是由于某种材料的导热系数远远大于它周围材料的导热系数而產生的，列车地板容易产生冷桥的部位一般有螺栓、螺钉、钢垫板及安装梁等金属构件。通常为了确定冷桥的影响，需要确定冷桥的影响面积，以平壁的温度场及热流密度场作为正常的基准，冷桥中心的热流密度最大，由冷桥中心向周围温度逐渐趋向正常温度，热流密度逐渐趋向正常热流密度。当到达某点时温度与正常温度相差3%以内，而且热流密度与正常热流密度相差3%以内，即把该点作为分界点，并以此确定出冷桥的影响面积。
2 传热理论分析
在列车地板的热传导过程中，由于列车地板并非均匀的材质构成，在列车地板的螺栓、螺钉、钢垫板及安装梁等金属构件处容易形成冷桥现象，并且在钢钉等处是贯穿整个地板的，因此在此处形成的冷桥现象又称“穿透冷桥”。冷桥的存在会导致车体传热系数的增加，使得其隔热性能降低。因此在计算列车地板的导热系数时不能再按简单的计算方法来计算其导热系数，应当考虑冷桥带来的影响，计算出整个列车地板的等效导热系数。
在出现冷桥而形成热流短路的情况下，其温度分布是三维空间或二维平面问题，不能按一维稳态温度场来研究。这时，根据傅立叶定律数学方程式可以写成：
列车地板的内表面的温度是受车外温度影响的，随着车外温度的变化，列车地板内表面的温度也随着变化，但在计算列车地板内表面温度的时候，只要出现低于车室内空气露点温度就会在列车地板的内表面结露，因此必须保证列车地板内表面温度不低于空气露点温度。
3 列车地板结构的优化分析
以列车地板为研究对象，通过ANSYS模拟软件对运行工况下的列车地板进行热工特性模拟分析，提出地板隔热改进结构。
地板的隔热仿真分析的步骤可以分为建立物理模型、网格划分、加载边界条件、求解和结果后处理，通过对地板冷桥的分析，建立具有代表性的物理模型，对输出结果的分析，提出改进结构。
3.1 列车地板模型的建立及仿真分析
列车地板是一种层合型材料，结构比较复杂，为了简化计算，需要对地板模型进行简化。由于需要考虑冷桥的影响，并且冷桥部位具有不对称性，需要建立三维模型。简化后模型如图1、2、3。
因为所建立的模型为三维模型，定义此模型的单元类型为Solid90，文中所有的三维模型均采用Solid90的单元类型，以后不再赘述。此模型的组成材料及材料导热系数如表1：
由于本文所研究的列车地板并不是列车实际运行中的地板，因此主要研究列车地板的导热性能，所以对所建的物理模型均施加第一类边界条件，温度载荷分别为20℃和30℃，分别施加在三维模型的上下表面，并认为三维列车地板的其它四个面为绝热面。
对列车地板三维模型进行网格划分，设置网格划分精度为5，划分完的网格图如图4：
对有冷桥模型的模拟结果进行分析，由于冷桥现象主要存在钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处，因此主要分析这些部位处的温度场和热流密度场。
针对冷桥影响的关键部位，列出了地板中第一个钢钉（坐标：x=-0.205，z=-0.11）处的剖面的温度场分布图，具体如下图5：
从图5可以看出，在有钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处存在明显的温度不均匀现象。同时从图上也可以看出，由于铝梁、钢钉、钢垫板等所占面积区域比较大，即冷桥部位面积较大，使得温度不均匀区域面积较大。
有冷桥模型的热流密度场同温度场的分析相同，主要是分析地板第一个钢钉（坐标：x=-0.205，z=-0.11）处的剖面的热流密度场分布图，如图6：
从图6可以看出，钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处热流密度值偏大且存在明显的热流密度不均，使得其周围热流密度值也偏大。在钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处冷桥现象更为明显，热流密度最大值可达P=489.689 W/m2。 由于列车地板模拟分析是稳态分析，根据模拟结果运用面积加权法，可以求出有冷橋三维模型上表面的平均热流密度p=15.2 W/m2，当列车车速确定，对流对列车地板的隔热性能就可以确定，因此可以将列车地板的导热系数λ作为评价列车地板隔热性能的指标，由公式：
3.2 列车地板改进方案
针对上述仿真分析结果，以及为了满足列车改造的要求，对列车地板做以下两点的改进：
1）为了满足车体改造的要求，地板的厚度进行减薄，将地板的矿棉层由原来的35 mm压缩到4 mm，即列车总厚度减薄成40 mm厚度地板，18 mm铝蜂窝地板换成了18 mm泡沫铝地板，泡沫铝地板导热系数为0.0142 W/（m.K）。
2）造成冷桥的影响过大的原因是试件中钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部件所占比例过大，因此需减小其所占比例，即将铝梁、钢垫板及橡胶垫等部分由原来的200 mm长简化到50 mm长，去掉地板中固定铝梁和钢垫板的螺栓，使用焊接的方式将其焊接在波纹地板上，并将地板安装梁底层的两层钢垫板和一层橡胶垫板简化成一层钢垫板。另外将无钢钉位置处的铝梁、钢垫板、橡胶垫换成厚度为4 mm的橡胶垫，并置于波纹地板突起部位。上述改进方案理论不仅可以削弱了冷桥的影响，同时也降低了列车地板的重量，满足现在列车改造的要求。接下来进行仿真分析对改进结构进行验证。
3.3 对列车地板改进模型的仿真分析
对改进模型模型温度场进行分析，主要分析钢钉、铝梁、橡胶垫、钢垫板等部位处冷桥的影响，下图给出了改进模型中第一个钢钉（坐标：x=-0.205，z=-0.165）处的横向剖面的温度场分布图，如图7：
从上图可以看出，在有安装梁、钢钉、钢垫板等处还存在温度不均匀现象，但总体上温度相对比较均匀，冷桥影响范围也减小。还可以发现，泡沫铝地板代替铝蜂窝地板后，由于地板厚度不能均匀引起的温度不均匀性明显改善。
分析改进模型模型的热流密度场，主要是分析第一个钢钉（坐标：x=-0.205，z=-0.165）处的横向剖面的热流密度场分布图，如图8：
从图8可以看出，试件3中冷桥的影响范围已经非常的小了，只在铝梁和钢钉处还存在的热流密度不均现象，且热流密度峰值只出现在钢钉处p=655.394W/m2，其他部位热流密度非常均匀都在72.822W/m2以下。从图3-8也能看出，冷桥的影响范围明显
减小。
针对改进模型模拟结果运用面积加权方法，可以求出有冷桥模型上表面的平均热流密度p=6.9W/m2，由公式（2）可以求得，改进模型模型的等效导热系数λ=0.028 W/（m.K）。由改进前与改进后试件的λ值比较发现0.028远远小于优化前0.106，达到了隔热优化的目的。
参考文献
[1]李莉，敬俊娥，姜云海，李绪泉.基于冷桥分析的列车车体K值优化计算[J].青岛理工大学学报，2010，2，31.
[2]吴俊云，王刚，刘训海等.空调客车厢体结构传热数值分析[J].上海理工大学学报，2005，27（4）：287-290.
[3]王润泉.车体隔热壁传热系数计算的新方法及其简化计算[J].铁道学报，1988，12（2）：11-15.
[4]翔祥云.车体隔热壁传热系数计算方法的分析比较[J].铁道机车车辆，1987，2：16-18.