軌道列車風機系統(tǒng)輕量化及氣動性能優(yōu)化設計.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染已成為世界各國致力于解決的問題，輕量化和節(jié)能降耗已成為未來軌道交通運輸裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。風機系統(tǒng)是保障軌道交通列車安全運行的重要核心部件之一，本文以軌道交通列車風機系統(tǒng)的輕量化和氣動性能為研究對象，圍繞著結構輕量化和氣動性能提升的問題，進行了系統(tǒng)和深入的研究。本文所開展和完成的研究工作如下:
　　(1)開展了風機氣動性能及強度振動試驗，驗證了基于非定常流固耦合的風機系統(tǒng)氣動性能及葉輪結構動力學分析模型，為

2、葉輪結構輕量化和風機翼型氣動的優(yōu)化設計提供了可靠的計算模型。在風機氣動性能的單和多因素靈敏度分析的基礎上，改進了風機設計，有效地提高了風機效率，為風機氣動性能優(yōu)化研究建立了基礎。
　　(2)針對葉輪結構的輕量化設計問題，為了滿足軌道交通列車裝備的高可靠性的要求，分別采用確定性、可靠性和穩(wěn)健性技術對鑄鋁葉輪進行多目標優(yōu)化。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)健優(yōu)化結果可以更好地容忍不確定性。經(jīng)多目標穩(wěn)健性優(yōu)化后，鑄鋁葉輪結構的重量下降了31.0％，

3、可滿足軌道列車高可靠性和輕量化的應用要求。針對葉輪的輕量化材料設計問題，考慮軌道交通列車運行環(huán)境異常復雜的問題，對片狀模塑料(Sheet molding compound，SMC)模壓成型材料的耐環(huán)境和耐水性進行試驗，發(fā)現(xiàn)該材料具有較好的耐環(huán)境性結論。通過采用無機陶瓷防水涂料進行防水處理，顯著增強了該材料的耐水性。經(jīng)多目標穩(wěn)健性優(yōu)化后，SMC模壓成型的葉輪可以更好的滿足葉輪結構的輕量化設計要求。最后采用動、靜應力試驗和超速試驗系統(tǒng)對計算

4、結果進行了驗證，具有較好的精度結果。
　　(3)在風筒結構的輕量化設計方面，由于風筒結構較復雜，采用隨機振動有限元分析方法進行計算，在網(wǎng)格數(shù)量較多的情況下，單次計算時間長。為了提高穩(wěn)健性優(yōu)化效率和精度，采用高低精度誤差補償?shù)慕颇Ｐ?，對風筒結構進行穩(wěn)健性優(yōu)化設計。經(jīng)穩(wěn)健性優(yōu)化設計后，金屬風筒結構的重量下降了13.4％。并針對風筒結構的輕量化材料設計問題，研究了一種增強纖維碳?；祀s真空技術復合材料的風筒結構。通過多目標穩(wěn)健性優(yōu)化設計

5、后，該方案可以更好的滿足風筒結構的輕量化設計要求。通過試驗驗證表明，優(yōu)化后風筒結構可以滿足鐵路用列車設備及附件的隨機振動及沖擊試驗的要求。
　　(4)腐蝕是風機結構系統(tǒng)的重要研究課題之一。考慮結構尺寸、材料及載荷等不確定性和自相關性，將時變可靠性問題轉化成靜態(tài)可靠性問題，并將隨機過程進行時間離散，從而顯著提高了風機結構時變可靠性的分析效率，可有效地解決風機結構衰減和腐蝕等時變可靠性的問題。分別對鑄鋁葉輪的強度、SMC葉輪的振動、金

6、屬和增強纖維風筒的強度進行了時變可靠性分析，結果均滿足工程設計可靠性指標的要求，為實際工程應用提供參考。
　　(5)針對樣本數(shù)據(jù)少、信息缺乏的工程問題，在穩(wěn)健性設計技術的基礎上，對風機翼型氣動性能進行了區(qū)間的不確定性優(yōu)化設計。通過建立區(qū)間模型非概率可靠性指標，在Kriging近似模型基礎上構建了穩(wěn)健性優(yōu)化模型，并采用了雙重優(yōu)化求解策略進行求解，以提高優(yōu)化效率。為了提高葉型造型的擬合精度，采用五項多項式方法對翼型各截面進行參數(shù)化建模