基于耐撞性和刚度车辆端部底架的拓扑概念设计

摘要

随着列车运营速度的不断提升，当车辆运行速度过快时发生了碰撞事故，布置在车辆端部的车钩缓冲装置、防爬器以及吸能装置无法完全吸收碰撞时产生的能量，因此车体端部甚至载客区域也会发生变形，减少了乘员的生存空间。由于车辆安装空间以及吸能装置吸能特性的限制，结构的吸能提升空间不大，因此在本文中为了提高车体结构的耐撞性，选取车体端部底架区域进行拓扑概念设计。
　　针对结构碰撞过程中的几何非线性问题，采用基于梯度信息的优化设计方法将要花费高昂的计算成本来产生一个拓扑概念设计结构，而采用不依赖梯度信息的混合细胞自动机算法进行优化设计，却能生成较优的拓扑概念设计。该方法以应变能密度均匀化为最优准则，以质量为约束条件，采用细胞自动机的局部规则进行寻优，来获取合理的拓扑优化设计结果。
　　为了能使拓扑概念设计结果能应用于工程实际，以碰撞下的拓扑概念设计结果为原型，选取垂直载荷和扭转载荷的联合工况进行多工况下的单目标拓扑优化设计，得到结构的拓扑优化设计结果并对优化结果进行可制造化处理，得到结构的梁分布，保证结构的弯曲刚度和扭转刚度，并采取标准工况对底架结构进行校核，对结构不合理处进行局部修改，完成车辆端部底架结构的拓扑概念设计。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 耐撞性优化方法

1．3 研究来源及研究内容

1．3．1 研究来源

1．3．2 研究内容

2 HCA算法应用于拓扑优化的理论基础

2．1 细胞自动机概述

2．2 应变能密度均匀化

2．3 弹塑性材料参数化处理

2．4 使用混合细胞自动机算法进行拓扑优化

3 耐撞击端部底架结构的拓扑优化设计

3．1 端部底架结构拓扑优化设计模型的建立

3．1．1 基于耐撞性拓扑优化设计数学模型

3．1．2 端部底架结构优化设计空间及有限元模型的建立

3．2 拓扑优化计算结果及分析

3．2．1 不同邻域半径下拓扑优化结果分析

3．2．2 不同收敛精度下拓扑结果分析

3．2．3 不同相对密度下限值下拓扑结果分析

3．2．4 不同元胞尺寸下拓扑优化结果分析

3．2．5 不同速度下拓扑优化结果分析

3．2．6 不同质量分数下拓扑优化结果分析

3．3 拓扑优化结构的初步构型

4 基于端部底架结构静态刚度的拓扑优化

4．1 静态刚度的拓扑优化数学模型

4．2 静态刚度的拓扑优化设计有限元模型的建立

4．2．1 工况的确定

4．2．2 载荷及边界条件的确定

4．3 拓扑优化结果分析及可制造化处理

5 车辆底架结构的验证分析及结构改进

5．1 验证工况

5．1．1 垂直载荷

5．1．2 车端压缩载荷及拉伸载荷

5．1．3 扭转载荷

5．1．4 三点支撑

5．2 计算结果分析

5．2．1 校核标准

5．2．1 静力分析结果

5．3 模态分析

5．3．1 模态理论基础

5．3．2 计算模态分析

5．3．3 模态计算结果分析

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 下一步研究展望

参考文献

附录

攻读硕士期间参加科研项目

致谢