基于截面板厚变化的高速列车车体结构多参数优化研究

摘要

随着高铁行业科学技术的不断发展，对高速列车的性能要求也在不断提高，研究人员也越来越重视车体结构优化。从结构材料的选取，到结构分布的具体设计，都需要进行大量的模拟计算。而如何充分利用材料特性，使其满足列车全寿命周期中的安全运行要求是其中最关键的问题。本文以长客标准动车组中间车的车体为研究对象，通过计算车体的结构强度、扭转及弯曲刚度和模态，分析车体结构特性，模拟车体在各工况下的形态。通过建立车体数学模型，对车体结构进行优化计算。以车体截面板厚为设计变量，通过约束应力、位移来约束车体的结构强度、扭转及弯曲刚度，以达到优化车体结构、降低车体质量的目的。在保证质量减少的情况下探索提高车体强度刚度的可行性。本文的主要内容:
　　(1)通过SolidWorks软件导出车体模型，并对车体模型进行简化。将结构的圆角与倒角去除，将车下悬挂的装备质量化作质量块，将座椅与乘客质量均匀分布等。利用结构对称性，取车体四分之一的结构在Hypermesh软件中进行网格划分，建立有限元模型。
　　(2)根据国际铁路联盟标准UIC566和欧洲标准EN12663:2000的相关规定，将车体的有限元模型代入ANSYS软件进行仿真计算。为实现模拟列车全寿命周期安全运行的目标，在多种组合工况下对车体进行模拟计算，包括定员工况、抬车工况、压缩工况、拉伸工况等。通过各工况的有限元计算结果可以明确模型的强度、刚度及模态是否在要求范围内，即模型的结构是否满足设计要求。
　　(3)利用Isight优化软件对结构进行计算，主要思想是建立结构的近似模型，这个近似模型可以在力与强度等特性上代替原有的有限元模型。通过优化此近似模型，可以得到优化后的有限元模型。在结构优化中，关于设计变量的选择需要遵循以下几个原理:通过结构分析，将对各特性影响较大的结构的部件进行详细划分;将不同部位不同功能的结构分组并进行编号;利用结构对称性，将分组进行简化。设计变量为各部件型材的板厚。
　　(4)采用多目标优化的方法对车体结构进行优化。选用归一化方法:将多个目标转化为单一目标，通过选取不同权重系数将所有目标整合。第一步是试验设计建立样本空间，采用最优拉丁超立方试验设计法;第二步是建立近似模型，为确保模型的精度，采用Kriging模型;第三步是通过选取的算法进行优化，为实现较优解，采用组合优化算法。将车体质量、强度、刚度作为约束与目标函数进行优化。对比得到的几组优化结果，统计分析得到较优解。
　　(5)通过结构优化结果，分析车体各部件结构对车体强度、刚度及模态的影响强弱，通过调整结构板厚，使之实现轻量化的同时适当增加结构强度及刚度。将优化结果代入有限元模型进行分析，与车体原始数据进行对比，分析车体扭转、弯曲刚度及空车时自振频率。得到优化方案。
　　本文所采用的研究方法在高速动车组车体的结构优化领域具有一定的参考价值，也为进一步研究车辆优化问题打下了基础。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究意义与方法

1．4 本文主要研究内容

2 标准动车组车体有限元模型的建立

2．1 标准动车组中间车车体简介

2．1．1 中间车车体参数简介

2．1．2 中间车车体设计质量

2．1．3 标准动车组车体结构材料属性

2．2 车体有限元模型的简化

2．2．1 有限元模型

2．2．2 模型的简化

2．3 车体有限元模型的建立

2．3．1 单元的选择

2．3．2 有限元模型的建立

2．4 本章小结

3 车体结构有限元分析计算

3．1 车体计算准则

3．1．1 车体载荷的确定

3．1．2 车体计算工况的确定

3．2 车体有限元计算及分析

3．2．1 定员工况

3．2．2 最大垂向载荷工况

3．2．3 二位端车钩处1500kN压缩载荷工况(整备)

3．2．4 二位端车钩处1500kN压缩载荷工况(定员)

3．2．5 二位端车钩处1000kN拉伸载荷工况(整备)

3．2．6 二位端车钩处1000kN拉伸载荷工况(定员)

3．2．7 一位端地板上方150mm高度400kN压缩载荷工况

3．2．8 一位端窗台高度的300kN的压缩载荷工况

3．2．9 一位端上边梁高度的300kN的压缩载荷工况

3．2．10 抬车工况(一位端抬起)

3．2．11 吊车工况

3．2．12 扭转工况

3．3 车体结构强度校核

3．3．1 车体强度评定标准

3．3．2 车体静强度校核

3．4 车体结构刚度校核

3．4．1 车体刚度评定标准

3．4．2 车体弯曲刚度的校核

3．4．3 车体扭转刚度的校核

3．5 车体模态校核

3．5．1 模态分析理论

3．5．2 模态分析过程及其评定标准

3．5．3 空车模态计算结果

3．5．4 整备模态计算结果

3．6 本章小结

4 车体结构优化近似模型的建立

4．1 结构优化理论

4．1．1 设计变量的选取

4．1．2 约束条件

4．1．3 目标函数

4．2 优化方案

4．2．1 优化软件

4．2．1 优化流程

4．3 试验设计

4．3．1 试验设计方法

4．3．2 试验设计过程

4．3．3 试验结果分析

4．4 建立近似模型

4．4．1 近似模型方法

4．4．2 Kriging模型的建立

4．4．3 近似模型误差分析

4．5 本章小结

5 近似模型的优化设计

5．1 优化算法

5．1．1 全局优化算法

5．1．2 梯度优化算法

5．2 车体优化方案

5．2．1 车体单目标优化方案

5．2．2 车体多目标优化方案

5．3 车体优化结果对比

5．4 优化结果验证

5．4．1 最大垂向载荷工况

5．4．2 扭转工况

5．4．3 二位端车钩处1500kN压缩载荷工况(整备)

5．4．4 空车模态

5．5 优化结果对比

5．6 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献