基于大部件标准动车组铝合金车体结构轻量化研究

摘要

随着优化设计领域的发展，结构轻量化越来越受到设计者的重视。如何将工程结构所选材料的性能与其自身重量达到最匹配是设计者始终研究与探索的。本文通过计算标准动车组中间车的车体结构强度、弯曲刚度、扭转刚度及模态，以车体顶部为研究对象，以车体质量最轻为目标分别采用单目标和多目标两种优化方案进行多工况优化探讨。提出一种基于径向基函数改进的近似模型法，完成车体轻量化研究。本文的主要内容:
　　(1)对结构复杂的车体完成了适当合理的简化，建立了标准动车组中间车体有限元模型。以车体有限元模型为基础，依据EN12663:2000等相关要求，针对标准动车组中间车车体结构进行了12种主要组合工况下的有限元计算，通过对车体强度、刚度及模态校核分析，得出结构满足设计要求。
　　(2)在车体结构中，底架、侧墙、车顶是对车体总重量影响较大的大部件，要实现车体轻量化可以选取这几部分为目标进行优化设计。本文选取车顶为优化对象，将不同区域、不同功能的型材进行分组并编号，以型材厚度作为设计参数。
　　(3)优化阶段选用Isight优化设计平台，制定出基于数学近似模型替代有限元仿真的优化策略。首先在试验设计阶段采用优化拉丁超立方设计法完成设计变量样本空间的创建，以交互效应图等图表分析得出设计变量对各响应性能的灵敏度;通过分析近似模型的精度，最终确定以Kriging模型方法建立优化近似模型;基于近似模型，在单目标优化方案中设计出全局性的多岛遗传算法与梯度优化NLPQL算法相结合的组合优化策略，效果明显且优化效率较高;在多目标优化方案中将车体质量、刚度同时作为目标函数进行优化。对两种优化方案得出的结果再次进行有限元仿真校核，由两种优化方案的计算结果对比分析车体的扭转刚度、弯曲刚度及空车状态一阶垂向弯曲振动频率的变化。考虑到车体综合性能，认为多目标优化结果在实际运用中更为优秀。
　　(4)在近似模型处理散乱数据中，利用径向基函数计算时所构造的离散插值矩阵通常为病态稠密矩阵，造成计算结果的不稳定。针对该问题提出构造局部化径向基函数，以松弛因子来改善径向基函数方法的病态性。通过车体单目标优化验证了改进近似模型的有效性。
　　本文的研究方法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 结构优化技术在铁道车辆中的应用

1．4 本文主要研究内容

2 标准动车组中间车体简介及有限元模型的建立

2．1 标准动车组简介

2．1．1 车体结构主要技术参数

2．1．2 中间车体M02车体设计质量

2．1．3 车体结构材料属性

2．2 车体有限元模型

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

3．1 约束条件

3．2 车体载荷确定

3．3 车体计算工况

3．4 车体结构强度和刚度评定标准

3．4．1 车体静强度的评定标准

3．4．2 车体刚度的评定标准

3．5 车体工况有限元计算及分析

3．5．1 整备状态下，二位端车钩水平1000kN拉伸载荷

3．5．2 整备状态下，二位端车钩水平1500kN压缩载荷

3．5．3 定员状态下，二位端车钩水平1000kN拉伸载荷

3．5．4 定员状态下，二位端车钩水平1500kN压缩载荷

3．5．5 整备状态下，一位端上边梁高度300kN压缩载荷

3．5．6 整备状态下，二位端上边梁高度300kN压缩载荷

3．5．7 整备状态下，二位端车窗处水平300kN压缩载荷

3．5．8 整备状态下，二位端地板上方150mm高度处400kN压缩载荷

3．5．9 最大垂向载荷

3．5．10 吊车工况

3．5．11 抬车工况(--位端抬起)

3．5．12 空车状态下，一位端40kN·m的扭转载荷

3．6 车体刚度的校核

3．6．1 车体弯曲刚度的校核

3．6．2 车体扭转刚度的校核

3．7 车体的模态分析

3．7．1 模态分析的理论基础

3．7．2 模态评定标准

3．7．3 空车状态模态计算结果

3．8 本章小结

4 基于大部件的车体轻量化研究

4．1 优化中的近似模型技术

4．2 优化软件

4．3 中间车体的优化方案

4．4 基于近似模型的试验设计

4．4．1 选取优化设计变量

4．4．2 确定试验因子及输出响应

4．4．3 试验设计方法及试验执行

4．4．4 试验结果分析

4．5 建立近似模型

4．5．1 近似模型方法简介

4．5．2 近似模型方案对比及误差分析

4．6 基于车顶的单目标与多目标优化

4．6．1 优化策略

4．6．2 优化算法

4．6．3 车体单目标优化设计方案

4．6．4 车体多目标优化设计方案

4．6．5 车体轻量化结果

4．7 优化结果验证分析

4．8 本章小结

5 基于改进近似模型的优化设计

5．1 径向基函数基本原理

5．2 改进的径向基函数模型

5．2．1 径向基函数插值

5．2．2 基于单位分解法的径向基函数

5．2．3 矩阵求解

5．3 改进后近似模型验证

5．4 基于改进近似模型的优化结果

5．4．1 优化算法及参数配置

5．4．2 单目标优化结果

5．5 优化结果仿真验证

5．6 本章小结

6．1 全文总结

6．2 不足和展望

参考文献

作者简历

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