高速列車車體結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化方法研究.pdf

1、高速列車的高速化和現(xiàn)代化使車體結(jié)構(gòu)承受更為復(fù)雜的載荷作用，可能導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度減少和乘坐舒適性下降等問題。對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化研究，可實現(xiàn)降低材料成本、減少牽引功耗、提高列車運(yùn)行速度和增加高速列車和線路的使用壽命。車輛在運(yùn)營中各部件承受不同方向和大小的載荷作用，為達(dá)到車體結(jié)構(gòu)輕量化的目標(biāo)，需保證車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　首先，對車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度常用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，確定合適的載荷工況對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計算，選擇典

2、型的5種工況進(jìn)行詳細(xì)的車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析。不同的載荷工況下車體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為208.1MPa，小于車體材料的許用應(yīng)力，表明車體靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;對垂向載荷工況和扭轉(zhuǎn)載荷工況進(jìn)行分析，得到車體的相當(dāng)彎曲剛度值和扭轉(zhuǎn)剛度值分別為2.8007×109 N·m2和10.837×108 N· m2/rad，均大于標(biāo)準(zhǔn)的參考值，表明車體剛度滿足要求。
　　其次，對比例車體進(jìn)行不同邊界條件下的計算模態(tài)和試驗?zāi)B(tài)分析，三種不同彈簧約束下結(jié)構(gòu)的試

3、驗?zāi)B(tài)垂向頻率與自由模態(tài)頻率的誤差值分別為2.545％、2.961％和4.812％，驗證有限元建模方式的準(zhǔn)確性。對比例車體進(jìn)行四種不同優(yōu)化平臺和優(yōu)化算法的優(yōu)化研究，對比分析知OptiStruct中的可行方向法具有迭代次數(shù)少、計算耗時短、優(yōu)化效果好等優(yōu)勢。
　　最后，在OptiStruct中建立車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，對車體進(jìn)行靈敏度分析以確定合適的設(shè)計變量;分別利用連續(xù)設(shè)計變量和離散設(shè)計變量對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，連續(xù)設(shè)計變量和離散設(shè)計變量

4、優(yōu)化后車體質(zhì)量分別減少1.97453t和1.99174t，減輕了24.094％和24.679％。對優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能校核，最大應(yīng)力分別為179.7MPa（連續(xù)）和177.5MPa（離散），均小于材料的許用應(yīng)力值;相當(dāng)彎曲剛度為2.1656×109N·m2，扭轉(zhuǎn)剛度均為10.748×108N·m2/rad，均大于標(biāo)準(zhǔn)參考值;優(yōu)化后車體結(jié)構(gòu)低階模態(tài)頻率均不小于優(yōu)化初始值，表明優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)滿足性能要求。
　　本文研究表明，對車