基于超单元法的地铁车辆铝合金车体轻量化研究

摘要

随着城市化进程不断推进，大中型城市交通拥堵问题变得尤为突出，对城市轨道交通的要求也大大提高。在这样的研究背景下，本文以满足车体结构的强度和刚度为前提，提出对某铝合金地铁车辆的轻量化分析方案。通过对车体减重，实现减少制造成本、减轻行驶过程中的振动和噪声，并且有效延长车辆和线路的使用寿命。
　　首先介绍了有限元高级分析技术——超单元法的理论基础，即静力凝聚理论。并且通过2个算例分别从理论解角度和有限元解角度来对比分析超单元法和常规解法的计算结果，证明两者的计算结果均真实可靠。还针对ANSYS平台中超单元法的使用方法，详细介绍了超单元的建立、调用、结果扩展的分析步骤以及使用过程中的相关注意事项。其次，对车体进行合理的有限元建模，并将计算模型分为9个超单元，根据相关标准选择5个有代表性的静强度工况和整备状态下的自由振动，分析车体结构的强度和刚度。将超单元计算结果扩展到整车，在超单元部件中分别任意选取9个测点，对超单元法和常规解法的测点应力进行对比，验证其可靠性。
　　考虑到现有的常用优化软件OptiStruct在优化过程中，不能同时进行静态和动态分析的特点，引入了结构静力刚度，并且从结构静力刚度灵敏度的角度分析各个超单元部分对整车的刚度贡献率，通过对5个静强度工况下各个部件的贡献率分析，得到底架牵引梁和端梁对整车的刚度影响最大的结论。该结论作为车体优化中设计变量选择的重要参考依据，对车体结构进行了轻量化分析。最后，对优化后的模型进行静强度和模态校核，均满足标准要求。优化结果显示，车体钢结构总重从7389kg降至6395kg，降低13.45％，轻量化效果明显。
　　本文将超单元法引入车体的轻量化分析中，根据其在整车环境中各个部件的独立性的特点，分析超单元部分的静力刚度灵敏度。基于灵敏度分析来选择合理的优化变量变量，有效地实现了车体的轻量化。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 超单元法研究现状

1．2．2 轻量化研究现状

1．3 本文研究内容

第2章 超单元法的理论基础

2．1 有限元简介

2．2 超单元法的理论基础

2．3 超单元法的优点

2．4 本章小结

第3章 超单元法的运用分析

3．1 理论算例分析

3．1．1 超单元法分析

3．1．2 超单元1

3．1．3 超单元2

3．1．4 残余结构

3．1．5 数据扩展

3．2 有限元算例分析

3．2．1 超单元分析步骤

3．2．2 计算结果对比

3．3 本章小结

第4章 有限元模型的建立及计算

4．1 车体结构参数及材料特性

4．1．1 车体几何参数

4．1．2 车体材料特性

4．1．3 车体主要部件介绍

4．2 车体有限元模型的建立

4．2．1 简化车体结构

4．2．2 车体离散

4．3 工况的选择

4．4 超单元划分

4．5 车体静强度计算结果

4．5．1 整车计算与超单元计算对比

4．5．2 垂直静载工况

4．5．3 纵向压缩工况

4．5．4 纵向拉伸工况

4．5．5 带转向架—位端提升

4．5．6 带转向架整体提升

4．5．7 模态分析

4．6 本章小结

第5章 静态刚度灵敏度分析

5．1 结构静力刚度

5．2 静力刚度灵敏度

5．3 计算刚度灵敏度

5．4 本章小结

第6章 结构轻量化设计

6．1 结构优化设计基本原理

6．1．1 优化设计三要素

6．1．2 结构优化设计数学模型

6．1．3 结构优化类型

6．1．4 优化软件介绍

6．2 确定优化方案

6．3 建立优化模型

6．3．1 确定目标函数

6．3．2 设置约束条件

6．3．3 选择设计变量

6．3．4 灵敏度分析

6．4 优化结果分析

6．5 优化后结构校核

6．5．1 垂直静载工况

6．5．2 纵向压缩工况

6．5．3 纵向拉伸工况

6．5．4 带转向架—位端提升工况

6．5．5 带转向架整体提升工况

6．5．6 模态分析

6．6 优化结果对比

6．7 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文