磁浮车辆悬浮架托臂结构强度分析及优化设计

摘要

高速磁浮轨道交通因轨道与车体结构之间没有机械接触，牵引力不受轮轨粘着力限制，具有较高经济运行速度，可以填补高速铁路和航空运输之间的速度空白，是当前新型轨道交通领域的研究热点。国内外现有高速磁浮车辆的运用速度集中在时速400~500公里等级，尚没有可参照的高速磁浮车辆结构设计标准和更高速度等级的设计数据，因此有必要对现有高速磁浮车辆在时速600公里的适应性开展研究。 本文通过对高速磁浮车辆悬浮架托臂结构的承载特点和传力的路径进行分析，确定了高速磁浮车辆悬浮架托臂结构在时速 600 公里速度等级下的主要运用载荷。基于《机械产品结构有限元力学分析通用准则》和螺栓连接的接触非线性有限元理论，研究了高速磁浮车辆悬浮架托臂结构和螺栓的有限元建模方法，利用该方法创建了托臂结构的精细有限元模型。参照 EN13749-2011《铁路应用-轮对和转向架-转向架构架的试验要求》标准、UIC615-4-2003《移动动力装置-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验》标准以及高速动车组和磁浮车辆现有研究成果，利用课题组所建立的高速磁浮车辆动力学仿真平台提取高速磁浮车辆悬浮架托臂结构在时速 600 公里速度等级下的主要计算载荷，拟定了 5 个主要计算工况，对托臂结构进行了结构强度分析，分析结果表明： 托臂结构的主要部件：主横梁和牵引纵梁、螺栓、托臂间上、下纵梁在所有工况载荷作用下均满足结构强度设计要求；不考虑加载处局部应力过大的现象，托臂在工况3到工况5的载荷作用下满足结构强度使用要求；在工况2载荷作用下，位于下纵梁位置的圆弧过渡板处出现了超过许用应力值的局部薄弱点，需要对薄弱位置进行结构优化。 根据高速磁浮车辆悬浮架托臂结构的使用要求，基于自由形状优化方法和子模型技术，采用 Opti-Struct 模块对托臂的薄弱位置进行优化，对优化结果进行圆整和平顺处理得到最终的托臂优化方案，对优化后的托臂结构重新建模并仿真计算，计算结果表明，优化后托臂薄弱位置的最大Von Mises应力由227.384MPa减小为197.983MPa，安全系数从1.03提高到1.19，满足结构强度设计要求。 同时基于高速磁浮车辆悬浮架托臂结构的轻量化设计要求，选择工况2 下强度冗余较大的上纵梁进行拓扑优化，基于单元密度优化方法和子模型技术，采用Opti-Struct模块对上纵梁进行减材设计，最终的优化方案在原结构的基础上减重 9.01%，对优化后的上纵梁进行强度校核，最大Von Mises应力为160.79MPa，安全系数为1.46，满足结构强度设计要求，说明针对高速磁浮车辆悬浮架结构强度使用要求和轻量化设计要求对托臂结构进行优化设计得到的托臂结构优化方案可行。 本文的研究成果对我国时速 600 公里速度等级的工程化高速磁悬浮车辆悬浮架托臂结构设计具有参考意义，有较大的工程价值；本文所采用的有限元建模方法、接触非线性有限元仿真技术和结构优化方法适用于同类结构的强度仿真分析和优化设计，具有一定的学术价值。

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