基于CRH动车组高速列车车体结构拓扑优化设计研究
发布时间：2021-01-09 11:31
高速列车对加快区域经济发展有重要意义,实现高速列车车体轻量化一直是设计人员不断追求的目标。依据拓扑优化能够实现设计区域内材料合理分布的原理,采用Optistruct中的变密度法并结合最小尺寸控制法对其进行轻量化设计。在保证满足应力、位移等约束条件下,得到车体断面筋板分布和纵向车体的优化结构。本论文研究的主要内容如下:首先,详细论述拓扑优化理论及不同的拓扑优化方法。不同拓扑优化方法具有不同的特点及工程应用范围,针对高速列车车体结构特征确定了变密度法的拓扑优化方法。其次,因铝合金挤压车体断面加强筋板的复杂性,现有结构参数和形状优化方法很难获得最优结构。根据TB/T1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》和《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》中对车顶、侧墙、地板等部位的载荷要求组成的最恶劣工况和车体实际运营中各部位的约束条件,利用Optistruct对车体断面的筋板分布进行拓扑优化。最后,针对现有车体在纵向方向上的载荷分布特征,按照车体设计规范中的约束设置和对横向、垂向、纵向三个方向的不同载荷需求,利用拓扑优化对车体在纵向方向上进行优化,寻找纵向车体上...
【文章来源】：四川轻化工大学四川省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
车体实际断面
四川轻化工大学硕士研究生学位论文28能力得到充分发挥，使车辆的自重尽可能减校由于应力、变形、稳定性和疲劳四项指标对结构的承载能力影响较大，在设计过程中应按这四项指标作为评价标准。根据《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》中的要求：应力应按许用应力评价，即各处应力（包括规定载荷下的各种组合应力）均不得大于许用应力，各种材料的许用应力值如表3-3。表3-3部分车身结构常用材料特性（Tab3-3Partofthetrainbodymaterialcharacteristics）编号材料牌号使用部位屈服极限/MPa许用应力/MPa16005AT6底板、侧墙、车顶200173.926082T6边梁、端梁215；t5187200；t5173.936106T6底板260；t5226.1250；t5217.4在图3-4中，底板主要使用6106T6或6005AT6铝合金材料，在图中由深蓝和红两种颜色表示。侧墙使用6005AT6铝合金材料，两侧墙均由紫绿两种颜色表示，车顶使用6005AT6铝合金型材，由黄和浅蓝两种颜色表示。其中不同颜色表示不同位置的焊接型材，两色连接处即为焊缝位置。可以看到车顶、侧墙均由五大块车顶型材、侧墙型材焊接而成，地板由六块挤压型材焊接而成。图3-4车体不同材料的分布（Fig3-4Thedistributionofdifferentmaterialsofthetrainbody）采取当量应力取代复杂应力部位的应力，当量应力按下式计算：2132322215.0e（3-3）变形可以按照许用变形值评价。根据材料力学、结构力学和弹性理论的方法评估稳定性。用疲劳周次和疲劳极限图衡量疲劳强度。
四川轻化工大学硕士研究生学位论文31constraints中可以设置需要约束的节点，同时可以设置约束节点的约束方向（包括旋转）。这里根据上述论述，将约束断面不同型材连接节点、结构支撑点和结构限制处的节点，具体的限制位置如图3-4所示。3.4.2.2载荷设置载荷设置同样是考虑车体在实际工况中的受载情况，为了综合多种单一工况下载荷对车体断面的不同影响，同样载荷的设置将基于车体处于最恶劣工况组合条件下。在表3-2输入工况中，可以将多种工况下的载荷的简化为三大类，即垂向自重及外载、横向的侧风、纵向的拉压载荷。在这三类载荷中纵向的拉压载荷对车体的断面优化（主要针对横向、垂向）是没有作用的，故在后续的断面优化中不涉及纵向的载荷作用。根据表3-2输入工况，将工况5、6、7、8四种工况进行有效组合，同时将工况5、6中的不同载荷在实际优化过程中予以细化。共有如下几种载荷：垂向车顶载荷、行李载荷、桌子载荷、垂向车体自重、垂向地板载重、横向侧风，这些载荷在HyperMesh中要予以一一施加。具体施加时可以在Analysis中的“forces”或“pressures”功能键中设置，例如可以在forces中的设置载荷的作用点、载荷大孝载荷的作用方向，同时还可以对载荷作用点处的箭头大小做出调整。这些载荷在HyperMesh中的具体加载如图3-4所示。图3-4车体断面的约束及载荷施加（Fig3-4Restraintandloadappliedonthetrainbodysection）3.4.2.3其余优化设置定义设计变量：如第二章拓扑优化理论中讲到，本文的拓扑优化采用密度法，以此在优化过程中要定义设计变量，这里在优化区域内假设存在人为可变密度，并将其在Analysis页后的optimization面板中的topology中设置为拓扑变量。创建体积响应：体积响应将作为此优化过程的目标函数，即在材?
【参考文献】：
期刊论文
[1]车体结构设计中焊缝布置的艺术[J]. 高晓霞,孙晖东,张明,米莉艳,伊召锋. 铁道运营技术. 2018(02)
[2]电力机车车体耐冲击性能研究[J]. 曾燕军,金希红. 电力机车与城轨车辆. 2018(01)
[3]轻量化复合材料车体设计与分析[J]. 刘宇,王峰,苏强,刘洋,王元伍,郭会生,张云杰. 城市轨道交通研究. 2018(01)
[4]B型地铁轻量化不锈钢车体结构设计[J]. 罗宝,岳译新,刘永强,许晶晶. 技术与市场. 2017(12)
[5]A型地铁铝合金车体轻量化设计及结构优化设计研究[J]. 王国军,王丽. 技术与市场. 2017(12)
[6]抗侧风车体截面设计[J]. 胡光忠,徐新建,肖守讷,蒲凡,邹亮. 河南理工大学学报(自然科学版). 2017(05)
[7]高速列车车体的灵敏度分析及轻量化设计[J]. 高月华,石晓飞,谢素明,杜礼明. 铁道科学与工程学报. 2017(05)
[8]城际动车组车体结构优化设计[J]. 张海波,苏永章,王赵华. 中国高新技术企业. 2017(05)
[9]基于安全裕量的列车车体轮廓线设计[J]. 邹晓宇,阳光武,肖守讷. 城市轨道交通研究. 2016(11)
[10]ANSYS的二次开发在高速列车车窗改动设计中的应用[J]. 黎忠雪,杨杰,王成雨,彭晓博. 重庆理工大学学报(自然科学). 2016(06)
博士论文
[1]桁架结构拓扑优化的理论与应用研究[D]. 高阁.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2017
[2]高速列车车体设计关键技术研究[D]. 丁叁叁.北京交通大学 2016
[3]连续体结构可靠性拓扑优化设计的研究[D]. 李景奎.东北大学 2012
[4]连续体结构拓扑优化理论及其在炮塔结构设计中的应用研究[D]. 杜春江.南京理工大学 2008
[5]连续体结构拓扑优化理论与应用研究[D]. 左孔天.华中科技大学 2004
硕士论文
[1]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[D]. 张文霞.北京交通大学 2015
[2]基于变密度法的连续体结构拓扑优化[D]. 尹艳山.东北大学 2014
[3]基于变密度法的箱型梁结构拓扑优化研究[D]. 冯伟.中北大学 2014
[4]基于变密度法的结构拓扑优化研究[D]. 王杰.中北大学 2014
[5]高铁影响与高铁时代城际公路客运发展策略研究[D]. 王明.长安大学 2010
[6]拖拉机驱动桥的有限元分析及拓扑优化设计[D]. 邓磊.合肥工业大学 2010
[7]基于变密度法的连续体拓扑优化设计[D]. 汤颖颖.长安大学 2008
[8]基于Optistruct拓扑优化的应用研究[D]. 苏胜伟.哈尔滨工程大学 2008
[9]工程结构拓扑优化的理论研究及应用[D]. 满宏亮.吉林大学 2007
本文编号：2966569
【文章来源】：四川轻化工大学四川省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
车体实际断面
四川轻化工大学硕士研究生学位论文28能力得到充分发挥，使车辆的自重尽可能减校由于应力、变形、稳定性和疲劳四项指标对结构的承载能力影响较大，在设计过程中应按这四项指标作为评价标准。根据《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》中的要求：应力应按许用应力评价，即各处应力（包括规定载荷下的各种组合应力）均不得大于许用应力，各种材料的许用应力值如表3-3。表3-3部分车身结构常用材料特性（Tab3-3Partofthetrainbodymaterialcharacteristics）编号材料牌号使用部位屈服极限/MPa许用应力/MPa16005AT6底板、侧墙、车顶200173.926082T6边梁、端梁215；t5187200；t5173.936106T6底板260；t5226.1250；t5217.4在图3-4中，底板主要使用6106T6或6005AT6铝合金材料，在图中由深蓝和红两种颜色表示。侧墙使用6005AT6铝合金材料，两侧墙均由紫绿两种颜色表示，车顶使用6005AT6铝合金型材，由黄和浅蓝两种颜色表示。其中不同颜色表示不同位置的焊接型材，两色连接处即为焊缝位置。可以看到车顶、侧墙均由五大块车顶型材、侧墙型材焊接而成，地板由六块挤压型材焊接而成。图3-4车体不同材料的分布（Fig3-4Thedistributionofdifferentmaterialsofthetrainbody）采取当量应力取代复杂应力部位的应力，当量应力按下式计算：2132322215.0e（3-3）变形可以按照许用变形值评价。根据材料力学、结构力学和弹性理论的方法评估稳定性。用疲劳周次和疲劳极限图衡量疲劳强度。
四川轻化工大学硕士研究生学位论文31constraints中可以设置需要约束的节点，同时可以设置约束节点的约束方向（包括旋转）。这里根据上述论述，将约束断面不同型材连接节点、结构支撑点和结构限制处的节点，具体的限制位置如图3-4所示。3.4.2.2载荷设置载荷设置同样是考虑车体在实际工况中的受载情况，为了综合多种单一工况下载荷对车体断面的不同影响，同样载荷的设置将基于车体处于最恶劣工况组合条件下。在表3-2输入工况中，可以将多种工况下的载荷的简化为三大类，即垂向自重及外载、横向的侧风、纵向的拉压载荷。在这三类载荷中纵向的拉压载荷对车体的断面优化（主要针对横向、垂向）是没有作用的，故在后续的断面优化中不涉及纵向的载荷作用。根据表3-2输入工况，将工况5、6、7、8四种工况进行有效组合，同时将工况5、6中的不同载荷在实际优化过程中予以细化。共有如下几种载荷：垂向车顶载荷、行李载荷、桌子载荷、垂向车体自重、垂向地板载重、横向侧风，这些载荷在HyperMesh中要予以一一施加。具体施加时可以在Analysis中的“forces”或“pressures”功能键中设置，例如可以在forces中的设置载荷的作用点、载荷大孝载荷的作用方向，同时还可以对载荷作用点处的箭头大小做出调整。这些载荷在HyperMesh中的具体加载如图3-4所示。图3-4车体断面的约束及载荷施加（Fig3-4Restraintandloadappliedonthetrainbodysection）3.4.2.3其余优化设置定义设计变量：如第二章拓扑优化理论中讲到，本文的拓扑优化采用密度法，以此在优化过程中要定义设计变量，这里在优化区域内假设存在人为可变密度，并将其在Analysis页后的optimization面板中的topology中设置为拓扑变量。创建体积响应：体积响应将作为此优化过程的目标函数，即在材?
【参考文献】：
期刊论文
[1]车体结构设计中焊缝布置的艺术[J]. 高晓霞,孙晖东,张明,米莉艳,伊召锋. 铁道运营技术. 2018(02)
[2]电力机车车体耐冲击性能研究[J]. 曾燕军,金希红. 电力机车与城轨车辆. 2018(01)
[3]轻量化复合材料车体设计与分析[J]. 刘宇,王峰,苏强,刘洋,王元伍,郭会生,张云杰. 城市轨道交通研究. 2018(01)
[4]B型地铁轻量化不锈钢车体结构设计[J]. 罗宝,岳译新,刘永强,许晶晶. 技术与市场. 2017(12)
[5]A型地铁铝合金车体轻量化设计及结构优化设计研究[J]. 王国军,王丽. 技术与市场. 2017(12)
[6]抗侧风车体截面设计[J]. 胡光忠,徐新建,肖守讷,蒲凡,邹亮. 河南理工大学学报(自然科学版). 2017(05)
[7]高速列车车体的灵敏度分析及轻量化设计[J]. 高月华,石晓飞,谢素明,杜礼明. 铁道科学与工程学报. 2017(05)
[8]城际动车组车体结构优化设计[J]. 张海波,苏永章,王赵华. 中国高新技术企业. 2017(05)
[9]基于安全裕量的列车车体轮廓线设计[J]. 邹晓宇,阳光武,肖守讷. 城市轨道交通研究. 2016(11)
[10]ANSYS的二次开发在高速列车车窗改动设计中的应用[J]. 黎忠雪,杨杰,王成雨,彭晓博. 重庆理工大学学报(自然科学). 2016(06)
博士论文
[1]桁架结构拓扑优化的理论与应用研究[D]. 高阁.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2017
[2]高速列车车体设计关键技术研究[D]. 丁叁叁.北京交通大学 2016
[3]连续体结构可靠性拓扑优化设计的研究[D]. 李景奎.东北大学 2012
[4]连续体结构拓扑优化理论及其在炮塔结构设计中的应用研究[D]. 杜春江.南京理工大学 2008
[5]连续体结构拓扑优化理论与应用研究[D]. 左孔天.华中科技大学 2004
硕士论文
[1]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[D]. 张文霞.北京交通大学 2015
[2]基于变密度法的连续体结构拓扑优化[D]. 尹艳山.东北大学 2014
[3]基于变密度法的箱型梁结构拓扑优化研究[D]. 冯伟.中北大学 2014
[4]基于变密度法的结构拓扑优化研究[D]. 王杰.中北大学 2014
[5]高铁影响与高铁时代城际公路客运发展策略研究[D]. 王明.长安大学 2010
[6]拖拉机驱动桥的有限元分析及拓扑优化设计[D]. 邓磊.合肥工业大学 2010
[7]基于变密度法的连续体拓扑优化设计[D]. 汤颖颖.长安大学 2008
[8]基于Optistruct拓扑优化的应用研究[D]. 苏胜伟.哈尔滨工程大学 2008
[9]工程结构拓扑优化的理论研究及应用[D]. 满宏亮.吉林大学 2007
本文编号：2966569
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