标准化动车组中间车体侧墙轻量化与结构优化设计

摘要

随着资源紧缺问题的日益突出，结构轻量化越来越受到设计者的重视，其中性能和材料的使用之间的权衡是结构优化永恒的话题。本文通过验证标准化动车组中间车体结构强度、弯曲刚度、扭转刚度及模态，以车体侧墙为研究对象。以车体质量最轻为目标进行了单目标和多目标两种优化方案多工况优化探讨，并在尺寸优化结果的基础上进行了侧墙筋板角度的形状优化设计。本文的主要内容有:
　　(1)对结构复杂的车体进行了适当合理的简化，建立了标准化动车组中间车体的有限元模型。
　　(2)针对标准化动车组M02车体结构，依据EN12663∶2000的相关要求，对其进行了11种主要组合工况下的有限元强度、刚度及模态分析，了解车体的相关性能。
　　(3)利用ISIGHT优化平台通过组件Simcode集成ANSYS软件，完成了以侧墙型材厚度为设计变量、以车体质量为目标的单目标和以车体质量以及车体刚度特性为目标的多目标两种优化方案的多工况优化。首先用试验设计方法对设计变量进行样本抽取，并得到设计变量对各响应性能的灵敏度;然后用基于近似模型的多岛遗传算法与梯度优化算法NLPQL相结合的优化策略对车体质量进行单目标优化，效果明显且优化效率较高，运用多岛遗传算法进行多目标优化，并对两种优化方案的结果进行强度，刚度校核，并对比两种优化方案优化后车体的弯曲刚度、扭转刚度及一阶垂向弯曲振动频率，考虑到综合性能，认为多目标优化结果更适合车体的运行。
　　(4)在多目标基础上，利用网格变形技术建立网格变形控制域实现对侧墙筋板网格的控制。通过ISIGHT批处理的形式通过组件Simcode集成HyperMesh及ANSYS进行分析，以车体的刚度和一阶垂向弯曲振动频率为目标函数，最终得到了合理的侧墙筋板角度布局，优化后弯曲刚度、扭转刚度及一阶垂向弯曲振动频率都有一定的改善。
　　本文的研究内容为高速列车车体的结构分析和大型结构优化设计问题提供了一定的参考价值，也为机车车辆优化设计的深入研究打下了一定的基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 论文的研究背景与意义

1．2 结构优化的历史与现状

1．3 国内外的研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 标准化动车组中间车体有限元模型的建立

2．1 标准化动车组简介

2．1．1 标准化动车组车体主要参数

2．1．2 标准化动车组车体结构材料属性

2．2 标准化动车组中间车体模型的简化与模拟

2．2．1 简化的原则和方法

2．2．2 车体模型的简化

2．2．3 连接方式的简化

2．2．4 附件质量的模拟

2．3 单元的选择

2．4 有限元模型的建立

2．5 本章小结

3 中间车体静强度分析和模态分析

3．1 车体载荷处理

3．2 车体计算工况

3．3 车体结构静强度的评价标准

3．3．1 车体强度的评价标准

3．3．2 车体刚度的评价标准

3．4 车体工况有限元计算结果及分析校核

3．4．1 1．3倍定员工况(1．3AW2工况)

3．4．2 AW2+车钩座1000kN纵向拉伸工况

3．4．3 AW2+车钩座1500kN纵向压缩工况

3．4．4 AW0+二位端部压缩300kN(上边梁高度处)

3．4．5 AW0+二位端部压缩300kN(窗腰带高度处)

3．4．6 AW0+二位端部压缩400kN(地板上方150mm处)

3．4．7 抬车工况(一位端抬起)

3．4．8 吊车工况

3．4．9 车体扭转工况

3．5 车体刚度的校核

3．5．1 车体弯曲刚度的校核

3．5．2 车体扭转刚度的校核

3．6 车体的模态分析

3．6．1 ANSYS模态分析的求解方法

3．6．2 模态评定标准

3．6．3 中间车体空车状态模态计算结果

3．6．4 中间车体整备状态模态计算结果

3．7 本章小结

4 中间车体侧墙的轻量化研究

4．1 设计变量的合理选取

4．2 优化约束和车体工况的选取

4．3 中间车体侧墙轻量化的优化策略

4．3．1 优化软件的选择

4．3．2 车体的优化策略

4．4 试验设计

4．4．1 试验设计简介

4．4．2 试验设计方法

4．4．3 试验结果分析

4．5 近似模型的建立

4．5．1 近似模型简介

4．5．2 近似模型方法

4．5．3 近似模型建立方案对比以及误差分析

4．6 车体侧墙的轻量化的两种方案

4．6．1 优化算法介绍

4．6．2 车体侧墙单目标轻量化设计

4．6．3 车体侧墙多目标轻量化设计

4．6．4 车体侧墙轻量化结果

4．7 优化结果分析及校核

4．7．1 优化结果强度校核

4．7．2 优化结果模态验证分析

4．8 本章小结

5 侧墙的结构优化设计

5．1 侧墙筋板优化前车体的性能

5．2 设计变量的设置

5．3 侧墙结构优化设计的优化策略

5．4 试验设计

5．4．1 试验样本设置

5．4．2 试验结果分析

5．5 近似模型

5．6 侧墙结构优化设计

5．6．1 优化的数学模型以及优化配置

5．6．2 多目标优化求解及结果

5．6．3 优化结构仿真验证

5．7 本章小结

6 总结和展望

6．1 全文总结

6．2 不足和展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间获得的研究成果

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