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基于大部件标准动车组铝合金车体结构轻量化研究
| 论文题名： | 基于大部件标准动车组铝合金车体结构轻量化研究 |
| 关键词： | 高速列车;车体结构;铝合金;轻量化设计 |
| 摘要： | 随着优化设计领域的发展，结构轻量化越来越受到设计者的重视。如何将工程结构所选材料的性能与其自身重量达到最匹配是设计者始终研究与探索的。本文通过计算标准动车组中间车的车体结构强度、弯曲刚度、扭转刚度及模态，以车体顶部为研究对象，以车体质量最轻为目标分别采用单目标和多目标两种优化方案进行多工况优化探讨。提出一种基于径向基函数改进的近似模型法，完成车体轻量化研究。本文的主要内容: (1)对结构复杂的车体完成了适当合理的简化，建立了标准动车组中间车体有限元模型。以车体有限元模型为基础，依据EN12663:2000等相关要求，针对标准动车组中间车车体结构进行了12种主要组合工况下的有限元计算，通过对车体强度、刚度及模态校核分析，得出结构满足设计要求。 (2)在车体结构中，底架、侧墙、车顶是对车体总重量影响较大的大部件，要实现车体轻量化可以选取这几部分为目标进行优化设计。本文选取车顶为优化对象，将不同区域、不同功能的型材进行分组并编号，以型材厚度作为设计参数。 (3)优化阶段选用Isight优化设计平台，制定出基于数学近似模型替代有限元仿真的优化策略。首先在试验设计阶段采用优化拉丁超立方设计法完成设计变量样本空间的创建，以交互效应图等图表分析得出设计变量对各响应性能的灵敏度;通过分析近似模型的精度，最终确定以Kriging模型方法建立优化近似模型;基于近似模型，在单目标优化方案中设计出全局性的多岛遗传算法与梯度优化NLPQL算法相结合的组合优化策略，效果明显且优化效率较高;在多目标优化方案中将车体质量、刚度同时作为目标函数进行优化。对两种优化方案得出的结果再次进行有限元仿真校核，由两种优化方案的计算结果对比分析车体的扭转刚度、弯曲刚度及空车状态一阶垂向弯曲振动频率的变化。考虑到车体综合性能，认为多目标优化结果在实际运用中更为优秀。 (4)在近似模型处理散乱数据中，利用径向基函数计算时所构造的离散插值矩阵通常为病态稠密矩阵，造成计算结果的不稳定。针对该问题提出构造局部化径向基函数，以松弛因子来改善径向基函数方法的病态性。通过车体单目标优化验证了改进近似模型的有效性。 本文的研究方法为高速列车车体的结构分析和大型结构优化设计问题提供了一定的参考价值，也为机车车辆优化设计的深入研究打下了一定的基础。 |
| 作者： | 刘琦 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 吴作伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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