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地坑式架车机结构性能及轻量化研究
| 论文题名： | 地坑式架车机结构性能及轻量化研究 |
| 关键词： | 地坑式架车机;接触分析;轻量化设计;响应面法;稳健性;动车组检修 |
| 摘要： | 地坑式架车机是动车组检修过程中必不可少的大型关键设备。其整机结构相当复杂，而当前国内厂家对架车机的设计制造主要依赖于经验，且未形成统一的设计规范，在设计时各尺寸参数留有较大的余量，因此有必要对地坑式架车机进行轻量化研究。而目前的研究工作大多集中在结构设计和维护以及同步控制上，力学研究领域涉及较少，因此，本文将对架车机结构进行力学性能分析，并进一步对其进行轻量化研究。 本文以某研究所研制的地坑式架车机为研究对象，经过结构简化处理后，通过ANSYS建立该架车机的参数化模型，对其进行静力学分析，并对其强度和刚度进行校核。结果表明地坑式架车机的强度与静刚度都满足要求，且有较大的富余量。由于托头结构的接触部位为受力集中区域，为探究接触部位受力的真实情况，对托头结构进行非线性接触分析，并研究利用节点自由度耦合方法代替接触分析的可行性。结果表明:对于滑块与滑轨的接触，当存在相对滑动时，耦合模型近似于较大摩擦系数下的接触分析;当不存在相对滑动时，两种模型的计算结果相差不大。采用基于接触对的接触分析更接近于实际，计算结果更趋近于精确解，但建模过程较复杂，且计算成本较高。因此，对于精度要求不太高的计算，可以近似采用节点耦合方式代替。 传统的地坑式架车机设计方法通常偏向保守，为了有效发挥材料的承载性能，将优化技术与响应面近似模型技术结合在一起，对地坑式架车机进行基于响应面法的轻量化研究。该方法基于有限元分析软件ANSYS与多学科优化软件ISIGHT，利用最优拉丁超立方试验设计方法对设计变量进行灵敏度分析，筛选出对系统响应影响较大的参数，并构建响应面近似模型，通过多岛遗传算法对近似模型进行优化。结果表明，该方法不仅能极大提高优化效率，还能使架车机的结构自重降低20.64％，实现了轻量化的目的，并能有效降低产品成本。 由于产品质量与性能会受到某些不确定因素的影响，确定性优化结果往往具有较低的可靠性和鲁棒性，因此本文将近似模型技术、蒙特卡洛模拟法、可靠性分析和6σ质量设计相结合，对地坑式架车机进行6σ稳健优化设计。结果表明，与传统确定性优化相比，该方法不仅能使地坑式架车机的结构自重降低16.79％，而且降低了优化结果对优化参数波动的敏感性，同时大幅提高了各参数的σ水平和可靠度，因此极大地提高了架车机的可靠性和稳健性，为地坑式架车机的设计及优化提供理论指导，对工程实际有很好的应用价值。 |
| 作者： | 程兵 |
| 专业： | 机械设计及理论 |
| 导师： | 于兰峰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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