重型轨道车体强度分析及底架结构优化设计

摘要

车体是车辆系统主要的承载部件，在运行过程中，不但要承受自身重力、各种设备载荷、车间纵向作用力，而且还要承受不同车辆间横向冲击载荷的作用力等，因此要使新型轨道车辆满足实际使用要求，必须对车辆的车体结构进行强度分析，满足国家相关技术标准的要求，保证车辆的运行安全可靠。
　　铁路机车车体结构优化设计，目前主要集中在强度、刚度等性能上对其进行优化设计。对于车体中的底架来说，结构和所受载荷复杂，有限元单元数量庞大，同时，能够对结构强度产生影响的不确定因素较多，例如:材料自身特性、生产制造公差以及环境因素等。因此，为了使底架具有足够的强度，同时使优化方案具有足够的鲁棒性，需要进行考虑不确定性因素在内的组合优化设计，使设计方案更可靠。
　　本文对重型轨道车整车车体结构进行强度及模态分析，在此基础上，对车体底架部分进行优化设计，通过兼顾提高车体底架结构强度和优化方案鲁棒性的组合优化方法对底架进行优化设计。本文具体完成的工作如下:
　　(1)根据重型轨道车车体结构的特点，建立整车车体有限元模型，根据机车车辆的相关标准，对车体结构进行了8种工况和模态的仿真计算，参照TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》、TB/T2541-2010《内燃机、电力机车车体静强度试验方法》、EN12663《铁道车辆车体结构要求》以及TB/T25334.1-2010《第1部分:内燃机车车体》等相关设计标准对车体结构强度进行了评价。
　　(2)根据车体结构强度分析结果，利用Isight优化平台调用ANSYS对车体底架结构进行优化设计。为了提高优化效率，降低计算成本，采用试验设计法建立底架的数学近似模型替代有限元模型进行底架结构的优化设计。以车体底架上的最高应力水平为目标函数，在满足其他工况的强度要求的约束条件下，进行底架结构的优化设计并得出底架的优化方案。
　　(3)对优化后的底架设计方案进行了可靠性分析，从优化方案鲁棒性的角度，采用Sigma水平分析法进行计算分析得出，将设计变量理想化的确定性优化设计得到的底架优化方案无法满足工程生产制造中的要求，需要对其进行可靠性优化设计。因此提出组合优化设计，对底架进行兼顾提高底架结构强度和优化方案鲁棒性的组合优化设计。
　　(4)在组合优化过程中，制定了合理的组合优化策略。在不同的优化求解阶段选用不同类型的优化算法和评价方法，将自适应模拟退火法、霍克-吉维斯以及序列二次规划三种不同类型的算法联用进行求解。从而得到考虑制造公差等不确定因素在内的轨道车车体底架的优化设计方案。将得到的底架组合优化方案结果进行仿真计算验证，并对结果进行分析。
　　本文的组合优化设计方法将生产制造过程中的制造公差、使用环境以及材料自身的一些不确定性因素对底架的结构强度产生的影响考虑在内，为机车车体的设计、制造生产提供了依据，对内燃机车车体结构甚至是所有轨道车辆的车体设计分析以及结构优化问题提供了新思路，提高了车体设计的效率。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 论文的研究背景和意义

1．2 国内外相关领域研究现状

1．3 结构优化设计的应用

1．4 论文主要内容及目标

2 车体结构强度分析

2．1 轨道车车体结构简介

2．1．1 车体结构的主要组成

2．1．2 车体结构材料属性

2．2 有限元法的应用

2．2．1 有限元法基本原理

2．3 建立车体有限元模型

2．3．1 车体模型的简化

2．3．2 连接方式的模拟

2．3．3 单元类型的选择

2．3．4 网格划分的准则

2．3．5 有限元模型的生成

2．4 车体强度计算分析

2．4．1 载荷及工况的确定

2．4．2 垂向载荷工况

2．4．3 纵向压缩工况

2．4．4 纵向拉伸工况

2．4．5 救援吊工况

2．4．6 整体起吊工况

2．4．7 运行牵引工况

2．4．8 组合冲击工况

2．5 车体模态计算分析

2．5．1 模态计算分析

2．5．2 模态分析方法

2．5．3 模态评定标准

2．5．4 模态分析结果

2．6 车体结构强度和刚度评定

2．6．1 车体强度评定

2．6．2 车体刚度评定

2．7 本章小结

3．1 结构优化概述

3．2 优化平台的选择

3．3 确定性优化设计

3．4 基于近似模型的试验设计

3．4．1 试验设计方法

3．4．2 定义因子水平

3．4．3 确定输出响应

3．4．4 执行试验设计

3．4．5 DOE结果分析

3．5 建立车体近似模型

3．5．1 数学近似模型法

3．5．2 建立近似模型方法

3．5．3 近似模型方案及配置

3．5．4 方案对比及误差分析

3．6 底架结构优化设计

3．6．1 制定优化策略

3．6．2 优化设计方案

3．6．3 选择优化算法

3．6．4 算法参数配置

3．6．5 确定性优化结果

3．7 本章小结

4 优化方案可靠性分析

4．1 鲁棒性(Robust)分析

4．1．1 田口SNR水平分析

4．1．2 Sigma水平分析

4．2 鲁棒性分析方法

4．3 Sigma分析原理

4．4 Sigma水平计算

4．5 可靠性优化设计

4．6 本章小结

5 组合优化及结果验证

5．1 制定组合优化策略

5．2 选择优化方法

5．3 算法参数配置

5．3．2 二阶可靠性评价方法

5．4 组合优化设计

5．5 组合优化结果

5．6 优化结果验证

5．7 本章小结

6．1 论文结论

6．2 论文展望

参考文献

作者简历

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