基于轨道车辆充电机箱结构轻量化研究
发布时间：2020-12-24 10:21
随着列车运行速度不断地提升,轻量化已成为轨道车辆研究的重要方向。本文基于Optistruct结构优化平台对轨道车辆充电机箱结构进行形貌和拓扑优化设计。通过分析充电机箱原有结构的强度、模态焊缝疲劳利用系数和各材料的利用率,得出机箱结构的薄弱部位,然后对其相应的部位进行结构优化。本文的主要内容:(1)根据充电机箱三维模型对结构进行简化处理,选择合适的网格单元类型对箱体结构进行离散化处理,采用质量单元对箱体内的电气元件质量进行了模拟。确定了箱体的约束条件,建立了箱体的有限元模型。(2)对机箱结构进行了静力学分析和动力学分析。根据铁路车辆车体结构标准的要求对机箱结构进行了5种主要工况的分析,依据标准对机箱动静力学性能参数进行评价。结果表明,在所有工况下机箱结构的强度、模态、各种材料的利用系数和焊缝疲劳强度都满足列车运行标准的要求。(3)根据有限元分析结果确定箱体结构的薄弱部位,制定优化设计流程,然后建立单目标多工况拓扑优化数学模型,运用Optistruct优化软件对机箱吊脚处加强板、机箱蒙皮和电气件安装板进行了拓扑优化,同时采用双向渐进结构优化法对优化后有限元网格模型的棋盘格效进行了处理,实现...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
普通列车车头特征图
基于轨道车辆充电机箱结构轻量化研究2轨道交通行业用电量的需求，电力行业提高产能的同时却带来了许多环境污染问题。从另一方面来讲，每一次高速铁路提速都将会带来轨道车辆技术的巨大革新。列车速度的提升将会带来一系列的影响，列车运行时面临更加复杂的环境工况，对列车主体结构的承载能力提出了更高的要求。列车主体结构承载能力提高的同时还要兼顾主体结构的重量因素，速度的提高和质量的增加使能源的消耗成倍的增长，对环境产生二次污染。由于空气的原因，当两列高铁车以较高的速度相遇时，空气气流将会影响列车运行，列车的振动将会加剧。由于隧道内会产生空气动力学效应，加上列车本身运行时会产生振动对结构的刚度和稳定性提出了更高的要求[1]。当列车运行的速度进入高速领域时，列车的设计会涉及到多方面的关键技术，包括振型模态匹配设计、轻量化优化设计、减振与噪声设计和结构安全设计。普通列车车头呈矩形，列车车头特征如图1-1所示,列车车体的材质一般采用碳钢，车体外轮廓以矩形轮廓为主如图1-2所示。2004年我国开始引入高速列车技术，列车车头长而且具有很好的流线型如图1-3所示，引入型高速列车车体材质主要采用铝合金，车体外轮廓同时也采用流线型设计,高速列车车体特征如图1-4所示。图1-1普通列车车头特征图Fig.1-1Characteristicmapofordinarytrainlocomotive图1-2普通列车车体特征图Fig.1-2Characteristicmapofordinarytrainbody
青岛科技大学研究生学位论文3图1-3高速列车车头特征图Fig.1-3Characteristicmapofhigh-speedtrainlocomotive图1-4高速列车车体特征图Fig.1-4Characteristicmapofhigh-speedtrainbody一方面高速动车组能耗的减少与排放二氧化碳的减少成正比。可以通过多种有效的途径减少动车组的能耗：采用反馈制动，在车辆制动时把车辆的动能转化为电能并加以储存或利用、降低车辆运行时的阻力，通过重新设计电路和控制模块对动力单元进行高效地管理，从而减少能量的损失，通过车辆自身地减重也能有效的降低能量的损失。另一方面通过采用新型材料替换原有结构的材料属性达到减重的目的,如用碳纤维复合材料替换原有的铝合金材质。减重的方向会逐渐从列车的辅助部件向车体的承载部件进行推广，实现列车的轻量化。重量的减轻间接的提高车体以及零部件的使用寿命。因此在现有部件结构的基础上进行优化设计，从部件的材料、结构尺寸同时考虑制造工艺因素的影响，对结构的优化处理，提高了材料的利用效率，结构的各项性能指标达到最优，同时降低了能源的损耗。新型材料广泛的应用、技术不断的革新提高推动了高速列车的发展。高速列车的轻量化拥有巨大的开发潜力，将成为未来高速列车发展的新方向[2]。1.2课题研究意义随着列车运行速度的提高，对零部件性能的要求也越来越高。充电机作为蓄
【参考文献】：
期刊论文
[1]拓扑优化变密度法的灰度单元分层双重惩罚方法[J]. 廉睿超,敬石开,何志军,史泽芳. 计算机辅助设计与图形学学报. 2020(08)
[2]基于BESO算法的城市轨道车轮拓扑优化[J]. 文永蓬,郑晓明,吴爱中,刘跃杰. 机械工程学报. 2020(10)
[3]三体船横舱壁拓扑优化设计及力学分析[J]. 张聪,贾德君,李范春,钦伦洋. 哈尔滨工程大学学报. 2020(06)
[4]航空发动机风扇叶片冲击加强轻量化设计[J]. 柴象海,张执南,阎军,刘传欣. 上海交通大学学报. 2020(02)
[5]四分头机构的多目标结构优化[J]. 费伊平,杨金堂,周泽,晏远志. 机械设计与制造. 2020(01)
[6]基于拓扑与形状优化的小型化金属天线设计方法[J]. 刘川,王奇,高仁璟,刘书田. 计算力学学报. 2019(06)
[7]基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化[J]. 袁维东,高瞻,刘浩康,缪国峰. 航空学报. 2020(01)
[8]基于结构拓扑优化的绣花机压脚与针杆机构结构优化[J]. 张雷,季祖鹏,顾萍萍. 纺织学报. 2018(12)
[9]基于最大应力约束的柔顺机构拓扑优化设计[J]. 占金青,龙良明,刘敏,张宪民. 机械工程学报. 2018(23)
[10]基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究[J]. 崔荣华,崔天晨,孙直,张维声,郭旭. 固体力学学报. 2018(06)
博士论文
[1]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
[2]渐进结构优化方法及其应用研究[D]. 荣见华.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]油底壳加强筋和滚筋结构优化设计[D]. 方立桥.北京交通大学 2013
[2]SUV白车身有限元分析与轻量化研究[D]. 张鹏.北京交通大学 2013
[3]高速列车车体断面优化设计[D]. 邹远.西南交通大学 2011
[4]基于无网格局部径向点插值法的二维结构拓扑优化设计[D]. 乔延春.湖南大学 2010
[5]基于结构拓扑优化的高速动力车转向架构架轻量化研究[D]. 周春平.西南交通大学 2008
[6]铝合金地铁车体静、动力学及疲劳分析[D]. 陆娟.南京工业大学 2006
[7]轨道交通车辆座椅的静强度和疲劳强度分析[D]. 刘波.吉林大学 2004
本文编号：2935479
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
普通列车车头特征图
基于轨道车辆充电机箱结构轻量化研究2轨道交通行业用电量的需求，电力行业提高产能的同时却带来了许多环境污染问题。从另一方面来讲，每一次高速铁路提速都将会带来轨道车辆技术的巨大革新。列车速度的提升将会带来一系列的影响，列车运行时面临更加复杂的环境工况，对列车主体结构的承载能力提出了更高的要求。列车主体结构承载能力提高的同时还要兼顾主体结构的重量因素，速度的提高和质量的增加使能源的消耗成倍的增长，对环境产生二次污染。由于空气的原因，当两列高铁车以较高的速度相遇时，空气气流将会影响列车运行，列车的振动将会加剧。由于隧道内会产生空气动力学效应，加上列车本身运行时会产生振动对结构的刚度和稳定性提出了更高的要求[1]。当列车运行的速度进入高速领域时，列车的设计会涉及到多方面的关键技术，包括振型模态匹配设计、轻量化优化设计、减振与噪声设计和结构安全设计。普通列车车头呈矩形，列车车头特征如图1-1所示,列车车体的材质一般采用碳钢，车体外轮廓以矩形轮廓为主如图1-2所示。2004年我国开始引入高速列车技术，列车车头长而且具有很好的流线型如图1-3所示，引入型高速列车车体材质主要采用铝合金，车体外轮廓同时也采用流线型设计,高速列车车体特征如图1-4所示。图1-1普通列车车头特征图Fig.1-1Characteristicmapofordinarytrainlocomotive图1-2普通列车车体特征图Fig.1-2Characteristicmapofordinarytrainbody
青岛科技大学研究生学位论文3图1-3高速列车车头特征图Fig.1-3Characteristicmapofhigh-speedtrainlocomotive图1-4高速列车车体特征图Fig.1-4Characteristicmapofhigh-speedtrainbody一方面高速动车组能耗的减少与排放二氧化碳的减少成正比。可以通过多种有效的途径减少动车组的能耗：采用反馈制动，在车辆制动时把车辆的动能转化为电能并加以储存或利用、降低车辆运行时的阻力，通过重新设计电路和控制模块对动力单元进行高效地管理，从而减少能量的损失，通过车辆自身地减重也能有效的降低能量的损失。另一方面通过采用新型材料替换原有结构的材料属性达到减重的目的,如用碳纤维复合材料替换原有的铝合金材质。减重的方向会逐渐从列车的辅助部件向车体的承载部件进行推广，实现列车的轻量化。重量的减轻间接的提高车体以及零部件的使用寿命。因此在现有部件结构的基础上进行优化设计，从部件的材料、结构尺寸同时考虑制造工艺因素的影响，对结构的优化处理，提高了材料的利用效率，结构的各项性能指标达到最优，同时降低了能源的损耗。新型材料广泛的应用、技术不断的革新提高推动了高速列车的发展。高速列车的轻量化拥有巨大的开发潜力，将成为未来高速列车发展的新方向[2]。1.2课题研究意义随着列车运行速度的提高，对零部件性能的要求也越来越高。充电机作为蓄
【参考文献】：
期刊论文
[1]拓扑优化变密度法的灰度单元分层双重惩罚方法[J]. 廉睿超,敬石开,何志军,史泽芳. 计算机辅助设计与图形学学报. 2020(08)
[2]基于BESO算法的城市轨道车轮拓扑优化[J]. 文永蓬,郑晓明,吴爱中,刘跃杰. 机械工程学报. 2020(10)
[3]三体船横舱壁拓扑优化设计及力学分析[J]. 张聪,贾德君,李范春,钦伦洋. 哈尔滨工程大学学报. 2020(06)
[4]航空发动机风扇叶片冲击加强轻量化设计[J]. 柴象海,张执南,阎军,刘传欣. 上海交通大学学报. 2020(02)
[5]四分头机构的多目标结构优化[J]. 费伊平,杨金堂,周泽,晏远志. 机械设计与制造. 2020(01)
[6]基于拓扑与形状优化的小型化金属天线设计方法[J]. 刘川,王奇,高仁璟,刘书田. 计算力学学报. 2019(06)
[7]基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化[J]. 袁维东,高瞻,刘浩康,缪国峰. 航空学报. 2020(01)
[8]基于结构拓扑优化的绣花机压脚与针杆机构结构优化[J]. 张雷,季祖鹏,顾萍萍. 纺织学报. 2018(12)
[9]基于最大应力约束的柔顺机构拓扑优化设计[J]. 占金青,龙良明,刘敏,张宪民. 机械工程学报. 2018(23)
[10]基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究[J]. 崔荣华,崔天晨,孙直,张维声,郭旭. 固体力学学报. 2018(06)
博士论文
[1]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
[2]渐进结构优化方法及其应用研究[D]. 荣见华.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]油底壳加强筋和滚筋结构优化设计[D]. 方立桥.北京交通大学 2013
[2]SUV白车身有限元分析与轻量化研究[D]. 张鹏.北京交通大学 2013
[3]高速列车车体断面优化设计[D]. 邹远.西南交通大学 2011
[4]基于无网格局部径向点插值法的二维结构拓扑优化设计[D]. 乔延春.湖南大学 2010
[5]基于结构拓扑优化的高速动力车转向架构架轻量化研究[D]. 周春平.西南交通大学 2008
[6]铝合金地铁车体静、动力学及疲劳分析[D]. 陆娟.南京工业大学 2006
[7]轨道交通车辆座椅的静强度和疲劳强度分析[D]. 刘波.吉林大学 2004
本文编号：2935479
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