工程轨道车转向架构架结构优化研究

论文摘要

工程轨道车多运用于铁道车辆救援与检修等特殊条件下，相比普通车辆，其运营线路的复杂程度更高。在铁道车辆提速和减重两个大前提下，构架作为转向架的连接装置和弹性元件的基础安装座，具有很高的研究价值。如何缩短转向架的设计周期，降低生产成本并保证列车运行的安全性和可靠性是首要解决的问题。基于有限元法的结构优化设计，以高速发展的计算机软硬件为基础，数学规划法为前提，建立优化模型进行力学计算，从而实现对转向架的轻量化设计，减弱传统经验设计中个人经验的主导性。在掌握拓扑优化以及尺寸优化理论，了解构架的结构特性后，利用优化软件Hyperworks对某工厂设计的工程轨道车转向架构架进行了结构优化设计。本文根据构架的实际尺寸和边界条件确定计算模型，采用拓扑优化对构架的三维模型进行了初步的材料去除，最终得到超常载荷工况和运营工况下的设计方案。由于构架的形状和尺寸大小都应该满足各零部件的形状及组装要求，而在模拟运营工况下的方案取消了端梁部分，不符合设计要求。因此采用在超常载荷工况下的方案，结合构架原模型设计提出了模型的两种改进方案，并针对这两种方案进行了尺寸优化设计，优化后模型减重效果明显。最后进一步通过各工况下结构的强度分析以及疲劳强度校核，对优化前后的模型性能进行了对比，改进后的结构模型除实现减重效果外，优化结果满足性能要求。本文分别从概念设计和详细设计两个阶段对构架进行了优化，使构架优化结果达到全局最优，为转向架构架筋板布置的优化设计提供了一定的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第一章 结构优化设计方法
• 1.1 结构优化设计的数学模型
• 1.2 结构优化设计的基本分类
• 1.2.1 尺寸优化设计
• 1.2.2 形状优化设计
• 1.2.3 拓扑优化设计
• 1.3 结构优化的常用算法
• 1.3.1 最优化准则法
• 1.3.2 可行性方向法
• 1.3.3 遗传算法
• 1.4 结构优化设计的基本过程
• 本章小结
• 第二章 三维建模及优化软件介绍
• 2.1 数值仿真软件 IDEAS 简介
• 2.2 优化软件 Hyperworks 简介
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 Altair optistruct 结构优化技术
• 2.2.3 Optistruct 的有限元方法
• 2.2.4 OpriStruct 优化设计的数学基础
• 2.2.5 OpriStruct 结构优化设计流程
• 本章小结
• 第三章 工程轨道车转向架构架的结构优化分析
• 3.1 工程轨道车转向架构架的拓扑优化模型
• 3.1.1 构架的基本结构
• 3.1.2 构架的有限元模型
• 3.2 构架的拓扑优化
• 3.2.1 拓扑优化参数
• 3.2.2 拓扑优化计算
• 3.3 优化结果分析
• 3.3.1 改进前后的方案模型
• 3.4 构架的尺寸优化
• 3.4.1 尺寸优化参数
• 3.4.2 尺寸优化计算
• 本章小结
• 第四章 构架优化前后的性能对比
• 4.1 构架的疲劳强度校核标准
• 4.2 优化前后构架静强度分析
• 4.2.1 优化前静强度计算结果
• 4.2.2 方案一构架静强度分析
• 4.2.3 方案二构架静强度分析
• 4.3 优化前后构架的疲劳强度校核
• 4.3.1 疲劳位置参考点
• 4.3.2 优化前构架、的疲劳校核
• 4.3.3 方案一构架的疲劳校核
• 4.3.4 方案二构架的疲劳校核
• 4.4 优化前后构架的性能对比
• 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢