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原文传递齿轨动车组车体地板梁轻量化拓扑优化与仿生设计技术

论文题名：	齿轨动车组车体地板梁轻量化拓扑优化与仿生设计技术
关键词：	齿轨动车组;地板梁;拓扑优化;结构仿生;尺寸优化;轻量化设计
摘要：	齿轨动车组作为一种适用于大坡度山地线路的轨道交通车辆，具备促进山区经济发展、开发旅游资源、便利山区交通等重要作用，是国家重点发展的轨道交通运输领域。由于苛刻的运行环境，齿轨动车车体的性能要求极高，需要车体尽量轻量化，同时保证高可靠性以及良好的乘坐舒适性。但目前已运行的齿轨车辆存在运行速度低、驱动功率需求大、零件损耗快等缺点，而齿轨车辆的质量与这些缺点关联极大，因此如何实现齿轨车辆的轻量化是目前急需解决的迫切需求。齿轨车辆的重量主要来源于车体，在车体中，地板梁质量占比最大，也是车体主要承载零件，同时其传递的振动还会影响到乘车舒适性。因此，作为核心零件的地板梁的性能将会很大程度影响车体相关性能。车体的轻量化首先要解决地板梁的轻量化问题。因此，为解决齿轨动车组地板梁轻量化问题，同时保证其可靠性与舒适性，本文进行了以下几个方面的研究：　　（1）基于现有轨道车辆地板梁研究，提出了一种结合拓扑优化、结构仿生与尺寸优化的地板梁轻量化设计方法。该方法首先运用拓扑优化获取地板梁最佳材料分布构型，然后结合此构型与仿生结构特征设计出地板梁仿生结构，最后对仿生地板梁进行尺寸优化，得到最优尺寸布局的仿生地板梁结构。　　（2）分析了齿轨动车组Mc车车体模型，基于多目标拓扑优化方法获得了地板梁的最佳传力路径。运用ANSYS有限元分析软件包分析了三种工况下的车体地板梁的强度、刚度与模态。基于结构优化软件GENESIS对地板梁进行了极端工况下的有无制造约束的多目标拓扑优化，目标函数设定为应变能最小和模态频率最大。分析了多种地板梁拓扑优化结果，得出了最佳的地板梁传力骨架。　　（3）依据地板梁传力骨架构建了仿生地板梁结构。根据功能相似性、负载相似性与拓扑关联性，选定了多个齿轨地板梁的仿生对象。提取了多个仿生对象的优异结构特征构型，并基于地板梁传力骨架，设计了多种仿生地板梁结构。对仿生结构进行了有限元分析验证，筛选了符合优化要求的仿生地板梁结构。　　（4）利用ANSYS有限元分析平台，对实现优化目标的仿生地板梁进行了尺寸灵敏度分析，并依据灵敏度分析结果对各种仿生地板梁进行了多目标尺寸优化，优化目标为质量最小、最大应力最小、最大垂向位移最小、一阶垂弯振型频率最大，对优化结果进行了圆整处理，并根据圆整结果重新建立了经过尺寸优化后的仿生地板梁结构。然后分析对比了优化前后的地板梁的结构性能参数，筛选出了性能最佳的地板梁构型，并对地板梁轻量化过程进行了总结讨论。最后用实例对最佳地板梁构型进行了进一步性能验证。
作者：	陈瑞文
专业：	机械工程
导师：	殷国富;李刚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	四川大学
学位年度：	2022