时速200公里电力机车车体结构优化设计

论文摘要

本文是根据《200km/h机车车体结构计算》的课题项目延伸而来。现代干线机车随着机车功率的增大,机车重量逐步增加。但由于受到路基、桥梁和钢轨等条件限制,机车的轴重不能太大,同时由于受线路曲线半径和机车本身结构的限制,机车的轴数也不能太多。我国现阶段铁路机车的轴重一般在23吨左右,轴数一般为4轴和6轴。而对于时速超过200km的高速机车,则对轴重的限制更加严格,一般要求其轴重限制在20～21t以下,因此必须采取适当措施减轻重量,同时高速机车多数情况下采用4轴机车。为了满足我国高速铁路发展的需要,提高我国电力机车的技术水平,缩短同世界先进机车制造水平的差距,我国主要机车制造工厂已于2006年开始进行时速200km电力机车的研制。本文结合某型时速200km电力机车车体实际设计结构,主要做了以下几个方面的工作:1.利用已有的GUI方式建立的机车车体有限元模型,提取该模型中的数据,通过编写针对这些数据的数据处理程序,处理提取出来的数据,对处理后的数据进行组合,建立可以进行优化分析的车体有限元计算模型。2.针对机车车体设计中的强度考核工况,对车体进行了全面的减重优化分析,以合理化的板厚尺寸,尽量减轻车体重量。并分别对优化前后的车体进行了多工况的静强度分析验证比较和模态分析验证比较,对机车车体的减重机理进行了探讨。3.分析了上下弦梁刚度对机车车体结构强度的影响。本文对机车车体设计问题进行了探讨,并针对具体的机车车体进行了优化计算,得到了满意的结果:在满足强度和刚度要求的情况下,机车车体重量可由原来的13113kg减少到11137kg(减重15.07%),这个结果可以直接应用到该型机车车体的设计中。文中建立优化计算模型的方法可以节省建模的时间,也可以在具体的机车车辆的车体优化设计中得到借鉴和应用。另外,通过分析上、下弦梁刚度对机车车体结构强度的影响,得到如下结论:下弦梁的刚度对机车车体结构强度的影响较大,而上弦梁刚度对机车车体强度的影响很小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高速铁路的现状与发展
• 1.2 选题意义、背景及本论文的主要工作
• 1.3 数值模拟技术及有限元的应用与发展
• 第二章 优化方法及有限元软件的选用
• 2.1 优化的基本概念及优化方法
• 2.1.1 优化的基本概念
• 2.1.2 常用的无约束优化设计方法
• 2.1.3 常用的约束优化方法
• 2.1.4 多目标函数的优化
• 2.1.5 准则优化法
• 2.1.6 灵敏度分析
• 2.2 大型有限元程序的简介与选用
• 第三章 机车车体结构减重优化计算
• 3.1 ANSYS软件中的设计优化
• 3.1.1 ANSYS优化方法
• 3.1.2 优化工具
• 3.1.3 优化变量
• 3.2 机车车体车架结构
• 3.2.1 车架承载式车体
• 3.2.2 整体承载式车体
• 3.3 机车车体设计中的几个问题
• 3.3.1 车体的轻量化
• 3.3.2 车体的流线化
• 3.3.3 司机室的抗撞击设计
• 3.4 机车车体优化模型的建立
• 3.4.1 GUI方式建模
• 3.4.2 建立机车车体优化模型
• 3.5 机车车体优化及结果分析
• 3.5.1 定义设计变量
• 3.5.2 优化设计变量及优化结果
• 3.6 优化过程中需要注意的几个问题
• 3.6.1 设计变量的选择
• 3.6.2 状态变量的选择
• 3.6.3 目标函数的建立
• 第四章 优化前后机车车体的力学验证及分析
• 4.1 计算载荷、计算工况及静强度评定
• 4.1.1 作用于机车车体上的载荷
• 4.1.2 计算载荷的工况
• 4.1.3 静强度评定
• 4.1.4 刚度评定
• 4.1.5 模态分析
• 4.2 优化前强度计算及模态分析结果
• 4.3 优化后强度计算及模态分析结果
• 4.4 优化前后刚度计算结果
• 4.5 优化前后强度计算结果的比较分析
• 本章小结
• 第五章 上下弦梁刚度对车体结构强度影响的分析
• 5.1 上弦梁刚度对车体结构强度的影响
• 5.2 下弦梁刚度对车体结构强度的影响
• 5.3 上下弦梁刚度对车体结构强度的影响
• 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文