基于HyperWorks的电力机车车体轻量化研究

摘要

由于现代干线机车功率的逐步增大，机车重量也随之逐步增大，而过大的机车重量直接影响了铁路车辆的运行速度。对机车车辆减重，不仅可以减少原材料使用成本，在有效提高列车的运行速度的同时，能够减少振动和噪音，延长车辆和线路的使用寿命，节约运输成本。机车车体是整个机车的主体，是机车整体中主要的减重部件，其轻量化研究十分必要。机车从生产到报废的整个寿命周期内，车体结构的各个部位均受到不同程度、不同方向的载荷作用，为达到结构轻量化设计目的，保证车体具有足够的强度和刚度是设计的前提。
　　基于以上背景，论文旨在选择一种适用于机车车体结构优化设计平台合优化设计方法，对某电力机车车体结构进行合理的优化设计，从而达到车体轻量化的目的。
　　论文首先通过一个机车底架结构轻量化算例，比较了HyperStudy模块中的自适应响应面法和OptiStruct模块中的可行方向法两种轻量化优化方法在尺寸优化计算中的特点，结果表明:当设计变量与约束条件较多时，可行方向法在OptiStruct中的迭代次数更少，轻量化效果更明显，适合用于车体这种大型复杂结构的轻量化设计。其次，对某电力机车车体进行了强度校核，发现虽然整车应力满足要求，但局部结构的应力具有较大的设计冗余，有较大的轻量化空间。同时基于振动模态理论和有限元模拟方法，研究了可拆卸顶盖对车体结构应力、变形和一阶垂弯频率的影响，结果表明，从应力角度，可拆卸顶盖对安装接口部位局部影响较大，对车体整车影响不大;从垂向变形角度出发，可拆卸顶盖对整车变形的影响很小;从模态角度出发，无顶盖结构的整车一阶垂弯频率比原结构的整车一阶垂弯频率小0.38Hz，但可拆卸顶盖结构对一阶扭转频率影响较大。最后，将可拆卸顶盖以集中质量的形式连接在侧墙上悬梁上，通过灵敏度分析确定最终设计变量，建立合理的车体结构优化模型，对其进行优化计算，并对优化后车体结构进行强度及模态的校核。优化结果显示，车体钢结构总重从26.854t降至21.604t，轻量化效果明显。校核结果显示，车体应力能够满足强度要求，优化后车体一阶垂弯固有频率为9.937Hz，能够满足车体模态要求。
　　本文研究表明，选取合适的平台及优化方法可有效的实现对机车车体的轻量化设计，同时保证优化后车体结构能够满足强度及刚度的要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况

1．3 论文主要研究内容

第2章 结构优化设计

2．1 结构优化设计数学模型

2．1．1 结构优化设计数学模型

2．1．2 优化设计的三要素

2．2 结构优化类型

2．3 优化方法概述

2．3．1 经典优化方法

2．3．2 数学规划法

2．3．3 优化准则法

2．3．4 仿生学方法

2．4 本章小结

第3章 基于OptiStruct与HyperStudy优化分析对比

3．1 HyperWorks软件平台简介

3．2 自适应响应面法

3．2．1 响应面法

3．2．2 自适应响应面法

3．3 可行方向法

3．4 算例

3．4．1 基于HyperStudy的结构轻量化分析算例

3．4．2 基于Optistmct的结构轻量化分析算例

3．5 本章小结

第4章 车体结构及有限元分析

4．1 车体简介

4．1．1 车体结构主要参数

4．1．2 车体主要部件结构介绍

4．2 车体有限元模型的建立

4．2．1 有限元简介

4．2．2 车体结构有限元模型

4．3 工况选取及评定标准

4．3．1 计算载荷的选取

4．3．2 计算工况选取

4．3．3 计算评定标准

4．4 车体静强度计算

4．4．1 工况1—垂直静载工况

4．4．2 工况2—车钩纵向压缩工况

4．4．3 工况3—车钩纵向拉伸工况

4．4．4 工况4—一位端提升工况

4．4．5 工况5—整体提升工况

4．5 可拆卸顶盖对车体结构应力、变形与模态影响研究

4．5．1 模态分析简介及理论基础

4．5．2 车体结构模态计算

4．5．3 可拆卸顶盖对车体应力的影响

4．5．4 可拆卸顶盖对车体变形的影响

4．5．5 可拆卸顶盖对车体固有频率的影响

4．6 本章小结

第5章 优化方案确定及车体结构优化模型的建立

5．1 优化方案的确定

5．2 多工况的选取与约束条件的选择

5．3 车体优化模型的建立

5．3．1 确定目标函数

5．3．2 设置约束条件

5．3．3 选择设计变量

5．4 灵敏度分析

5．4．1 灵敏度分析理论

5．4．2 车体灵敏度计算

5．5 本章小结

第6章 车体优化方案的实施及校核

6．1 车体多工况优化

6．2 优化后车体结构校核及分析

6．2．1 工况1—垂直静载工况

6．2．2 工况2—车钩纵向压缩工况

6．2．3 工况3—纵向拉伸工况

6．2．4 工况4—一位端提升工况

6．2．5 工况5—整体提升工况

6．3 优化后车体结构模态分析

6．4 车体结构优化前后对比分析

6．5 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