高速列车车体是由大型挤压铝型材、蒙皮骨架等焊接而成的整体承载式结构,其复杂性主要表现为结构形式、实际承载初始状态、运行载荷间的相互耦合、相互影响,而大型复杂结构的应力状态分析是预测潜在损伤程度、失效形式等的基础。因此,基于耦合载荷的高速列车车体结构应力状态分析仿真技术研究,对于车体的可靠性评估、优化设计等具有重要意义。本文考虑实际运行载荷中占主导地位的机械载荷、气动载荷耦合条件下,针对高速列车车体结构,以仿真分析与试验校验相结合的方法,系统分析结构的应力状态。研究工作包括以下几个方面:(1)提出一种面向高速列车复杂结构的气动载荷、机械载荷的耦合方法。首先,以可压缩模型及滑移网格方法建立3节编组的高速列车外流场分析模型,准确地模拟了会车、隧道和隧道会车过程中外流场的变化规律及响应特征,与试验数据结果吻合较好;其次,由力系等效向缩减模型主节点施加边界条件,将不同工况下的气动载荷与高速列车刚柔耦合动力学模型耦合,比之常规的刚体模型,该耦合模型更准确地传递车体的机械载荷以及相关参数的影响。结果表明:作用于车体的气动载荷与机械载荷形成耦合,即一种载荷会影响另外一种载荷的作用机理,刚柔耦合模型同时反映车体弹性振动、气动载荷对机械载荷的影响。(2)提出一种基于权重系数的单元中心点-单元节点联合插值算法。针对流固耦合中非匹配网格的数据传递问题,使用多项式函数描述的流体域压强分布形式,建立并推导不同插值点的理论误差与实际误差间的数值关系,由三维平面和曲面算例讨论了权重系数及形状参数对插值误差的影响,并将其用于高速列车单向流固耦合中的数据传递。结果表明:在二维条件下,可解析地证明联合插值算法存在一常数权重系数,同时,经三维算例验证,其最大计算误差始终低于单一的节点或中心点插值算法。(3)基于气动载荷与机械载荷耦合条件下的高速列车车体结构整体承载分析。建立高速列车头车全尺寸有限元模型,由时域计算步长的协调实现气动载荷与机械载荷相耦合,分析整体结构在单一、耦合载荷作用下的动态响应,对比车体各分区的应力成分比例及不同载荷对结构承载的贡献度。结果表明:对于车体结构,机械载荷是影响静水应力的主导载荷,而气动载荷则主要影响应力幅值,3种计算工况中车体应力波动的幅值由高到低分别为隧道会车、单车通过隧道和明线会车。(4)提出一种以单元体积为约束,基于“虚拟节点”的壳-实体单元数据传递算法。针对局部结构分析的子模型方法,通过扩展切割边界上数据点的维度与数目,实现局部复原结构子模型的数值模拟。结果表明:基于“虚拟节点”的壳-实体单元子模型算法在平面拉伸、弯曲和平面剪切三种不同受力状态算例中的计算精度均优于商业软件ANSYS。(5)基于子模型方法的高速列车车体局部结构应力状态复原分析。以耦合载荷下整体结构分析为边界条件,依据不同承载特点复原车体局部结构并分析不同载荷工况对应力状态的影响,讨论了缺陷和初始应力场(焊接残余应力)对结构承载能力的影响。研究发现:由实体单元复原的局部结构可更为真实的反映结构受力状态随载荷的变化,由“整体-局部”的多级子模型分析可充分考虑焊接缺陷和初始残余应力场对应力状态的影响。综上,本文以高速列车车体结构为例的应力状态双尺度分析仿真技术,可为大型复杂结构在耦合载荷作用下的可靠性评估、优化设计等提供更为科学的技术手段和依据。