李娜[1]2003年在《铝合金车体组合优化设计》文中进行了进一步梳理铁路运输是我国主要的交通运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用。而铁路车辆是铁路运输中直接载运旅客和货物的工具，是铁路中的一个主要环节，随着社会的进步，运输对车辆的要求越来越高。车体作为车辆的一个主要部件，其轻量化设计就成为一个关键的问题。高速列车的轻型化对于发展交通运输、改善机车车辆运行平稳性、降低能源消耗、减少轮轨磨耗都是至关重要的。当今世界上，大多数发达国家采用铝合金为材质制造车体结构，然而，目前的铝合金车体虽然各项性能、安全指标都比较好，但重量大，比普通钢结构车体在重量上无明显优势，这就需要对铝合金车体进行优化设计。 作为国家行业863重大课题《铁路机车车辆虚拟样机系统》的一部分，本文在研究优化问题的基础上，建立了铝合金车体的计算模型，通过C语言和Fortran语言相结合编写的应用程序，将遗传算法和有限元分析软件MSC．Marc结合起来，实现对铝合金车体板厚、截面形状和斜筋取舍的结构组合优化设计。此系统首次在应用遗传算法的基础上，构建了与Marc软件的应用接口，通过接口读写Marc的数据文件，执行Marc进行有限元分析，完成优化。另外，此课题提出了一种应用遗传算法对铝合金挤压型材进行综合优化设计的方法，实现将车顶形状、板厚、位置同时优化，提出了解决大规模、多变量、多约束的结构优化设计的算法，具有一定的通用性，适用于多种优化问题。
付贵鑫[2]2008年在《200km/h交流传动机车车体轻量化优化设计》文中认为车体轻量化可以减少列车运行阻力,降低列车牵引功率,提高速度,改善环保,降低轴重,减少列车运行时沿线路基的振动、降低了轮轨之间噪声,最终也有利于改善列车的运行品质。近两年我国高速铁路的蓬勃发展,对机车轻量化的要求也越来越高。随着机车速度的提高、功率的增大以及现代化程度的提高,电器设备部分的重量也逐渐增加,这就要求大幅度的减轻机械部分的重量,车体作为一个主要的减重部件,其轻量化设计就成为一个关键的问题,越来越引起人们的关注。本文结合大同机车厂200km/h交流传动机车设计项目,应用ANSYS有限元建模分析软件完成了机车承载结构的有限元建模和静强度分析;在充分调研国内外机车轻量化研究现状的基础上提出了超拉丁方实验设计和可行方向法相结合的组合优化策略,并应用此方法对车体承载结构进行了轻量化优化。结果证明,与传统方法相比,该方法对于求解类似非线性大型复杂结构的轻量化问题具有求解效率高和求解精度好等优点,具有广泛的应用前景。
朱鹏飞[3]2013年在《北京地铁车辆轻量化设计研究》文中进行了进一步梳理论文是针对北京地铁车辆的轻量化进行的设计研究，按照轻量化设计的实例调研与分析、轻量化设计理论探讨以及轻量化设计应用探讨的逻辑思路进行了论文的研究与写作工作，这几方面的工作可以进行如下的阐述：在轻量化设计的调研与实例研究章节，论文将对车辆的轻量化调研与研究分成两大部分，一是对车体进行的调研与分析，主要内容是对耐候钢车体、不锈钢车体以及铝合金这叁种典型的车体进行了研究，研究的方面包括了车体材料的选用、车体的结构形式以及车体结构的生产加工方式等；另一部分的内容就是对车辆的内部设备设施系统围绕着轻量化设计进行了横向的比较与分析。通过调研章节的工作，论文对车体的结构以及设备设施系统的特点都有了清晰的理解，为后文的设计分析打下了基础。轻量化设计的理论探讨章节着重对轻量化设计的理论研究成果以及北京地铁运营的实际环境进行了综合性的思考，将具有普遍性意义的轻量化设计原则与方法与特殊的情况相结合，提出了针对北京地铁的车体轻量化设计原则以及内部设备设施系统的实际原则。论文在研究过程中，以经济性为设计的平衡杠杆，不以追求轻量化程度为最终目标，综合控制影响轻量化设计的不同因素，并提出了针对北京地铁的多材料混合车体结构的设计思路与方法。轻量化设计应用探讨章节则是在上文提出的原则的基础上将设计思路具体化，形成了多材料混合车体结构的设计方案。论文还在此基础上，通过学科交叉知识的应用，利用有限元分析的方法以及ANSYS分析软件对设计方案进行了是否具有可行性的计算验证，并达到了预期的目的，符合地铁设计规范的要求。同时，论文还利用通用性的轻量化设计方法以及结合人机工程学的具体要求对车辆内部的设备设施系统进行了具体的设计研究，提出了轻量化的设计方案。
刘琦[4]2017年在《基于大部件标准动车组铝合金车体结构轻量化研究》文中认为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。
丁彦闯[5]2008年在《铁路车辆结构多层面优化设计研究及典型应用》文中研究说明当前,随着我国铁路运输的高速、重载化,铁道车辆行业获得了前所未有的发展机遇,同时对车辆的结构设计提出了更高的要求、带来了更大的挑战。铁路车辆是多学科、多领域交叉耦合的复杂产品,尤其对于时速200 km/h以上的高速动车组,其要求性能更高、耦合因素更多。我国的高速车辆在其研制过程中,尽管借鉴了国外许多先进技术,也采纳了铁路大提速以来车辆行业积累下来的许多成熟技术,但是在整体性能上,与国外仍有明显差距;在设计方法上,主要是采用“试算—验证—修改”的传统设计方法,还没有将结构优化设计的理念贯穿于整个设计过程中。因此,本文从不同层面上对铁路车辆结构优化设计的方法及应用进行了详细研究,由概念设计的拓扑优化、详细设计的形状(尺寸)优化到整体设计的多学科优化,将结构优化的设计方法应用到铁道车辆结构设计过程的不同层面上。采用现代优化理论进行结构优化设计,是现代铁路车辆产品设计手段的升华,必将为提升产品质量、缩短开发周期、减少设计盲目性起到重要的推动作用。在对国内外铁路车辆结构优化设计的现状及结构优化发展概况综述的基础上,采用分层次的研究策略,以铁路车辆结构优化设计为研究目标,从概念设计的拓扑优化、详细设计的形状(尺寸)优化到整体设计的多学科优化,分别从优化方法、优化策略、实例验证到典型工程应用,进行了一系列深入研究。归纳起来,本文的主要研究工作如下:(1)系统阐述了结构优化的基本理论,概述了结构优化算法的类型和特点,对常用工程优化算法及多学科优化的方法原理进行了详细分析。(2)针对复杂结构优化设计的效率问题,研究了基于近似模型的优化策略。介绍了试验设计常用的方法和原理;分析了响应面近似模型、kriging近似模型、RBF近似模型及泰勒序列近似的原理和建模要求;给出了近似模型精度的评价标准,并采用算例对RSM、kriging及RBF模型进行了比较。(3)采用变密度法对转向架轴箱转臂进行了拓扑优化设计;针对应力约束问题,并结合实际工程复杂结构的可操作性,采用考虑接触关系的详细有限元模型进行强度验证,保证拓扑优化的实用性。该研究为铁路机车车辆结构概念设计阶段优化设计的开展提供了技术范例。(4)分析了位移敏度和应力敏度的求解原理;建立了高速铝合金车体的有限元模型,按规范进行有限元分析;以板厚为设计变量,在有限元分析基础上计算了车体结构对设计变量的位移敏度和应力敏度;基于敏度的知识信息,给出了结构轻量化的优化方案。为复杂结构基于敏度信息的快速优化设计提供了可操作的实用方案。(5)对内燃动车组废气涡轮增压器压气机叶片进行了多学科优化研究。建立了叶片叁维参数化模型,在保证叶片的气动性能基础上,以叶片不同位置截面的分布厚度为设计变量,对结构、振动频率进行了多学科可行一体化优化设计,取得了满足条件的最优结果,这一结果亦有典型示范作用。(6)对铁路车辆主型焊接结构,考虑疲劳损伤约束的多学科优化进行了研究。分析了Goodman疲劳安全系数、线性累积损伤理论以及国外焊接接头的疲劳评估标准(IIW、BS);提出了虚拟疲劳试验的技术路线,在虚拟样机上实施疲劳试验,预测产品的设计疲劳寿命;对焊接结构多学科优化进行研究,提出基于近似模型、提高优化效率的多学科可行法;建立了焊接构架疲劳损伤、结构一体化优化模型;开发了Goodman疲劳安全系数、虚拟疲劳试验损伤计算程序;实现了焊接构架疲劳损伤、结构分析的多软件集成、自动优化技术;并采用基于近似模型的多学科可行方法对焊接构架进行了疲劳损伤结构多学科优化,在满足应力、疲劳安全系数及焊接接头累积损伤约束下,构架质量减轻11.6%,这对车辆轻量化要求下焊接结构的可靠性设计提供了实用参考。本课题得到国家“863”高技术研究发展计划项目:《复杂产品协同设计、仿真、优化一体化平台研究开发及其应用》(项目编号:2006AA04Z160)的资助。
石莹[6]2004年在《车体钢结构组合优化设计系统》文中指出铁路运输是我国主要的交通运输方式,在国民经济中起着非常重要的作用。随着列车提速的深入及高速列车的不断发展,人们对车体轻量化的要求越来越高。车辆高速化后容易使轨道变形,而车体轻量化能减轻车辆对线路的冲击,减少钢轨摩耗,对抑制轨道变形很重要,而目前我国列车车体的自重较大,因此车体轻量化成为铁道车辆发展的一个重要方向,是车辆设计永远追求的目标。一般说来,车体轻量化是通过使用轻型材料和优化车体结构两种途径来实现的。由于我国机车车辆工业基础落后,国内的高速列车仍以国产耐候钢为主,因此对车体钢结构进行结构优化成为了车体轻量化的主要途径之一。 本文以梁截面和梁位置拓扑为设计变量,应力、位移为约束条件,对车体钢结构进行优化设计。应用有限元软件MSC.Marc对其进行有限元分析,基于遗传算法的思想建立了车体钢结构的优化模型,利用Marc的单元生死技术实现了梁柱的拓扑优化,弥补以往结构优化中由于无法真正删除构件所带来的麻烦,使得被删除的构件在此次运算中不发挥作用,而在下次运算中可能被恢复;通过改写Marc的输入数据文件实现了梁截面的优化;通过读取Marc的输出数据文件产生了进行遗传优化的判据。将C语言与Fortran语言相结合编制了计算程序系统,实现了对截面变量和拓扑变量这两种不同类型变量的组合优化。应用本系统对车体钢结构进行结构优化设计,实现了对车体结构的可行性设计。此外,本文提出的基于遗传算法的思想对车体钢结构进行组合优化,实现两类设计变量的同时变化,这在当今结构优化中是很少见的,具有广泛的应用前景。
索雪峰[7]2007年在《动车组M2S车体结构分析及车下悬挂设备布局优化》文中研究表明针对动车组引进、消化、吸收和再创新的项目计划,本文对动车组M2S车体进行了常规的结构强度、刚度和动态性能分析,结构抗疲劳和气密性能的研究,并对车下悬挂设备的最优化布局进行了探讨。本文采用大型有限元软件ANSYS对M2S车体进行建模和仿真分析,得出了23种计算工况下车体结构的应力和位移分布。计算结果满足《UIC566》标准、欧洲《EN12663》标准和欧洲代码9标准。模态分析得出了整车空载状态下的前六阶振动频率和振型,其中一阶垂向弯曲频率大于10Hz,能够避免与轨道之间产生共振。此外,本文利用ANSYS、HyperMesh软件及iSIGHT优化平台作为实施工具,针对车下设备悬挂布局求解的复杂问题,求解了复杂设计空间中使车下设备悬挂满足最小轴重及轮重差的要求。计算结果表明,本文采用的两种组合优化策略对求解该问题是行之有效的。本文的研究工作为高速列车车体结构的分析和车下悬挂设备布局的设计提供了一定的参考价值,也为优化设计在机车车辆中的深入研究打下了一定的基础。
王庆艳[8]2007年在《铝型材地铁车车体耐撞性分析及吸能结构最优设计》文中研究表明车辆运行的安全问题一直是公众关注的焦点。当行驶中的车辆发生碰撞时，如果不能在瞬间将车体的动能耗散，必将造成重大的损失，因此在设计阶段对车体进行耐撞性分析及基于碰撞仿真结果对车体吸能结构进行优化设计既具有理论意义又具有应用价值。目前，车辆端部的设计理念主要有两类：车辆端部碰撞变形能量吸收区与车体结构完全集成在一起(A类)；由吸能元件构成的碰撞变形能量吸收区与防爬器板状结构集成在一起组成一个模块化部件，然后通过螺栓等机械联结组装到底架结构前端的(B类)。本文选择采用这两类设计方法的铝型材地铁头车车体为研究对象，主要进行了以下几方面的工作：首先，在研究碰撞仿真分析有限元模型的特点及车体的结构尺寸的基础上，利用大型建模软件I-DEAS分别建立了两类地铁头车车体的碰撞仿真模型，在建模过程中通过科学、合理地简化非大变形区域的结构和将模型中弹性变形区域简化为刚体等方法，来控制仿真模型的网格质量和最小单元的尺寸及缩小求解规模。其次，通过研究I-DEAS与ANSYS／LS-DYNA之间FEM模型接口数据结构，将两类地铁头车车体的碰撞仿真模型导入ANSYS/LS-DYNA中。对某公司研制的A类地铁头车车体进行耐撞性分析，根据仿真分析结果提出了改进设计的方案，改进后的结果表明：塑性大变形均仅发生在车体端部的非乘客区，同时，变形过程稳定，没产生失稳现象。最后，提出了一种将建模软件I—DEAS、碰撞软件ANSYS／LS-DYNA和多学科优化软件iSIGHT有机地结合在一起的优化设计方法，该方法是按照iSIGHT语义要求，在第一次成功碰撞仿真的ANSYS／LS-DYNA模型的批处理命令流中定义优化目标、设计变量及约束条件，然后采取一定优化方案来进行优化设计。应用该方法对B类地铁头车车体的吸能结构进行了优化设计，获得了车体端部合理的吸能结构。
崔新涛[9]2007年在《多材料结构汽车车身轻量化设计方法研究》文中指出车身轻量化是提高汽车燃油经济性、减少尾气排放、节约材耗的有效手段。采用轻量化材料是汽车车身轻量化的重要途径。相对于单一材料车身而言,多材料车身可以充分发挥不同材料的性能、成本优势,为车身各个零部件选择合适的制造材料,从而在性能和成本约束下,实现较好的轻量化效果。本文以汽车车身为对象,基于合适材料用于合适部位的设计理念,综合考虑车身结构性能、质量和成本,研究多材料车身轻量化设计方法。论文主要研究内容和成果如下:1.汽车车身结构性能分析及参数灵敏度计算。采用有限元方法仿真分析了车身静态刚度和整车正面碰撞性能,通过车身刚度和碰撞响应的结构参数灵敏度分析,辨识了对刚度和正面碰撞响应影响较大的关键零部件;根据车身结构特点和功能,将车身分解为大型板壳结构部件和薄壁梁结构部件两大类,针对两类车身部件提出了相应的优化选材策略。2.面向轻量化的车身板壳类部件优化选材与设计。以车门选材和设计为范例,提出针对车身大型板壳类零部件轻量化设计的选材方法。首先提出了一种同时考虑车门侧面挤压碰撞、刚度、固有频率以及结构质量等多个准则的汽车车门优化设计方法,采用该方法对采用各种材料的车门结构进行了优化;然后在结构优化的基础上,进行成本分析;最后综合考虑质量和制造成本,采用价值函数理论对车门进行优化选材。该方法对其它车体大型板壳类零部件的选材和设计具有普适性。3.基于材料性能指数的车身薄壁梁部件优化选材与设计。构建了车身薄壁梁部件材料性能指数的精确模型,替代基于简单结构形状建立的传统模型,该指数可用来量化分析车身薄壁梁部件中轻质材料替代传统钢材的轻量化效果。分析了材料性能指数对选材的影响。基于价值函数理论和材料性能指数,提出了薄壁梁部件材料选择方法。在计算与验证各薄壁梁部件材料性能指数的基础上,对车身薄壁梁部件进行材料优选,实现了以仅增加14.3$(约7%)的材料成本,比原车身减轻质量30.9kg的效果。4.车身材料与结构组合优化设计方法。该方法将车身材料类型和零件厚度同时作为设计变量,建立了车身材料与结构组合优化设计数学模型,利用神经网络建立约束方程(结构性能)的全局近似模型,采用多目标遗传算法进行优化问题求解。利用该方法,可以为车身(或子装配体)的各个零件选择最合适的材料,同时可以得到零件的优化厚度。本文研究结果表明,相对于单一材料结构设计而言,多材料结构车身将合适的材料用在合适的部位,从而可以在不显着增加成本的前提下,达到明显的轻量化效果。
李慧[10]2018年在《基于截面板厚变化的高速列车车体结构多参数优化研究》文中研究指明随着高铁行业科学技术的不断发展,对高速列车的性能要求也在不断提高,研究人员也越来越重视车体结构优化。从结构材料的选取,到结构分布的具体设计,都需要进行大量的模拟计算。而如何充分利用材料特性,使其满足列车全寿命周期中的安全运行要求是其中最关键的问题。本文以长客标准动车组中间车的车体为研究对象,通过计算车体的结构强度、扭转及弯曲刚度和模态,分析车体结构特性,模拟车体在各工况下的形态。通过建立车体数学模型,对车体结构进行优化计算。以车体截面板厚为设计变量,通过约束应力、位移来约束车体的结构强度、扭转及弯曲刚度,以达到优化车体结构、降低车体质量的目的。在保证质量减少的情况下探索提高车体强度刚度的可行性。本文的主要内容:(1)通过SolidWorks软件导出车体模型,并对车体模型进行简化。将结构的圆角与倒角去除,将车下悬挂的装备质量化作质量块,将座椅与乘客质量均匀分布等。利用结构对称性,取车体四分之一的结构在Hypermesh软件中进行网格划分,建立有限元模型。(2)根据国际铁路联盟标准UIC566和欧洲标准EN12663:2000的相关规定,将车体的有限元模型代入ANSYS软件进行仿真计算。为实现模拟列车全寿命周期安全运行的目标,在多种组合工况下对车体进行模拟计算,包括定员工况、抬车工况、压缩工况、拉伸工况等。通过各工况的有限元计算结果可以明确模型的强度、刚度及模态是否在要求范围内,即模型的结构是否满足设计要求。(3)利用Isight优化软件对结构进行计算,主要思想是建立结构的近似模型,这个近似模型可以在力与强度等特性上代替原有的有限元模型。通过优化此近似模型,可以得到优化后的有限元模型。在结构优化中,关于设计变量的选择需要遵循以下几个原理:通过结构分析,将对各特性影响较大的结构的部件进行详细划分;将不同部位不同功能的结构分组并进行编号;利用结构对称性,将分组进行简化。设计变量为各部件型材的板厚。(4)采用多目标优化的方法对车体结构进行优化。选用归一化方法:将多个目标转化为单一目标,通过选取不同权重系数将所有目标整合。第一步是试验设计建立样本空间,采用最优拉丁超立方试验设计法;第二步是建立近似模型,为确保模型的精度,采用Kriging模型;第叁步是通过选取的算法进行优化,为实现较优解,采用组合优化算法。将车体质量、强度、刚度作为约束与目标函数进行优化。对比得到的几组优化结果,统计分析得到较优解。(5)通过结构优化结果,分析车体各部件结构对车体强度、刚度及模态的影响强弱,通过调整结构板厚,使之实现轻量化的同时适当增加结构强度及刚度。将优化结果代入有限元模型进行分析,与车体原始数据进行对比,分析车体扭转、弯曲刚度及空车时自振频率。得到优化方案。本文所采用的研究方法在高速动车组车体的结构优化领域具有一定的参考价值,也为进一步研究车辆优化问题打下了基础。
参考文献：
[1]. 铝合金车体组合优化设计[D]. 李娜. 大连铁道学院. 2003
[2]. 200km/h交流传动机车车体轻量化优化设计[D]. 付贵鑫. 北京交通大学. 2008
[3]. 北京地铁车辆轻量化设计研究[D]. 朱鹏飞. 北京建筑大学. 2013
[4]. 基于大部件标准动车组铝合金车体结构轻量化研究[D]. 刘琦. 北京交通大学. 2017
[5]. 铁路车辆结构多层面优化设计研究及典型应用[D]. 丁彦闯. 大连交通大学. 2008
[6]. 车体钢结构组合优化设计系统[D]. 石莹. 大连交通大学. 2004
[7]. 动车组M2S车体结构分析及车下悬挂设备布局优化[D]. 索雪峰. 北京交通大学. 2007
[8]. 铝型材地铁车车体耐撞性分析及吸能结构最优设计[D]. 王庆艳. 大连交通大学. 2007
[9]. 多材料结构汽车车身轻量化设计方法研究[D]. 崔新涛. 天津大学. 2007
[10]. 基于截面板厚变化的高速列车车体结构多参数优化研究[D]. 李慧. 北京交通大学. 2018
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