CRH5动车组内端墙对车体结构整体承载性能的影响分析及轻量化研究

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，其中性能和材料使用之间的权衡是结构优化永恒的话题。本文通过对比分析CRH5动车组拆除内端墙前后的M2S车体结构强度、弯曲刚度、扭转刚度及模态，得出了内端墙对车体整体强度、刚度及模态的影响。同时以车体质量最轻为目标进行了单目标多工况优化探讨，并对内端墙的结构进行了优化设计。本文的主要内容:
　　1)对结构复杂的车体进行了适当合理的简化，建立了拆除内端墙前后两种车体的有限元模型。
　　2)针对CRH5型动车组车体结构，依据EN12663:2000的相关要求，对其进行了十种主要组合工况下的有限元强度、刚度及模态分析，并对拆除内端墙前后车体的强度、刚度和模态进行了分类对比，得出了内端墙对车体相关性能的影响。
　　3)根据北车集团提供的车体结构静强度试验报告，将试验测试值与仿真计算值进行了对比分析，经验证仿真结果可靠。
　　4)利用Isight优化平台万能组件Simcode集成Ansys软件，完成了以内端墙型材及车体底架断面厚度为设计变量、以车体质量最轻为目标的单目标多工况优化。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自适应模拟退火算法ASA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，优化后车体的弯曲刚度、扭转刚度及一阶垂向弯曲振动有了不同程度的改善。
　　5)在内端墙原有结构的基础上，增加纵梁及横梁结构，利用网格变形技术软件Sculptor建立控制体实现相应网格的控制。通过Isight万能组件Simcode集成Sculptor及Ansys分析纵梁及横梁结构的改变以及它们的位置布置对各响应性能的影响，最终得到了合理的纵梁及横梁结构布局，设计出刚度性能更优的内端墙结构。
　　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 论文的研究背景和意义

1．2 国内外相关领域的研究现状

1．3 论文的主要内容及创新点

1．3．1 论文的主要内容

1．3．2 论文的创新点

2 车体有限元模型的建立

2．1 有限元法概述

2．2 CRH5车体结构简介

2．2．1 CRH5车体主要参数

2．2．2 车体结构主要组成部分

2．2．3 车体结构材料属性

2．3 车体模型的简化及模拟处理

2．3．1 车体模型的简化

2．3．2 连接方式的模拟

2．3．3 附件质量的模拟

2．4 单元的选择

2．4．1 单元的尺寸

2．4．2 单元的形状质量

2．5 有限元模型的生成

2．6 本章小结

3 内端墙对车体结构整体承载性能的影响分析

3．1 载荷处理

3．2 有限元仿真工况

3．3 车体结构强度和刚度评定标准

3．3．1 车体静强度的评价

3．3．2 车体刚度评价标准

3．4 车体有限元仿真结果及分析校核

3．4．1 内端墙对车体弯曲刚度的影响分析

3．4．2 内端墙对车体扭转刚度的影响分析

3．5 内端墙对模态的影响分析

3．5．1 模态分析的求解方法

3．5．2 模态评定标准

3．5．3 车体模态计算结果及分析

3．6 无内端墙车体的强度校核

3．6．1 车钩区域压缩载荷

3．6．2 防撞击柱压缩载荷

3．6．3 车钩区域牵引载荷

3．6．4 抬车工况

3．6．5 内端墙对车体强度贡献量的分析

3．7 仿真结果可靠性分析

3．7．1 测试点的布置

3．7．2 试验工况及测试结果

3．7．3 测试结果与计算结果的对比分析

3．8 本章小结

4 CRH5车体轻量化研究

4．1 优化平台选择

4．2 CRH5车体结构优化策略

4．3 试验设计

4．3．1 试验设计方法简介

4．3．2 试验计划

4．3．3 执行试验

4．3．4 结果分析

4．4 车体近似模型的建立

4．4．1 近似模型方法简介

4．4．2 多项式响应面模型的建立及误差分析

4．5 内端墙及底架断面的优化

4．5．1 内端墙及底架优化的数学模型

4．5．2 单目标优化求解及结果分析

4．6 优化方案仿真验证

4．6．1 优化工况仿真对比

4．6．2 优化方案强度校核

4．6．3 优化方案模态分析

4．7 本章小结

5 车体内端墙结构优化设计

5．1 内端墙模态分析

5．1．1 内端墙有限元模型的建立

5．1．2 内端墙模态分析结果

5．2 内端墙结构优化策略

5．3 内端墙结构变形

5．3．1 形状优化方法

5．3．2 建立内端墙网格变形控制体

5．4 实验设计

5．4．1 试验样本计算

5．4．2 试验结果分析

5．5 近似模型

5．6 内端墙结构优化数学模型

5．7 内端墙结构多目标优化求解及结果

5．8 内端墙结构优化仿真验证

5．9 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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