高速列车车体结构多学科优化研究

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1、国内图书分类号：U260.2密级：公开国际图书分类号：629西南交通大学研究生学位论文高速列车车体结构多学科优化研究年级2015级姓名杨忠坤申请学位级别工程硕士专业交通运输工程指导老师缪炳荣副研究员二零一八年五月ClassifiedIndex：U260.2U.D.C：629SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisSTUDYONMULTIDISCIPLINARYOPTIMIZATIONOFHIGHSPEEDTRAINCARBODYSTRUCTUREGrade：2015Candidat

2、e：YangZhongkunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：TransportEngineeringSupervisor：AssociateProfessorMiaoBingrongMay.2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要高速列车是一个复杂的系统工程，车体作为其主要承载结构，除需要满足基本的强度和刚度要求外，还要考虑涉及空气动力学、多体动力学、碰撞安全性以及结构轻量化设计等多种学科问题。为了较系统全面的考虑列车运行过程中轻量化设计的车体所

3、受到的气动载荷、轨道激励产生的随机振动载荷和车载设备及乘客产生的有效荷载等多种载荷综合作用时的结构动态性能的变化特征，论文在国家自然基金项目（51375405）和实验室自由探索项目（2016TPL_T10）的资助下，针对具体结构提出了基于多学科的结构优化设计方法。该方法通过高速列车空气动力学模型、刚柔耦合多体系统动力学模型、车体结构有限元模型以及多目标优化近似模型，计算分析车体结构多学科性能，利用多学科优化平台实现车体结构的多目标优化设计。首先，由建立的简化高速列车三节车计算空气动力学模型通过CFD软件计算得到列车在不同运行时速和

4、横风风速作用下车体所受气动载荷，并分析列车外表面压力分布特性和流场分布特性。其次，将所得气动载荷施加到刚柔耦合多体系统动力学单节车模型，对车辆模型的临界速度、安全性以及稳定性进行分析，得到车辆运行过程中的车体结构动应力数据用于车体疲劳计算。综合考虑所得气动载荷和轨道车辆常规静态载荷作为车体结构有限元计算的边界条件，验证结构的强度、刚度性能。除考虑强度刚度要求之外，还需要考虑车体结构的动态特性，对车体有限元模型进行模态分析。然后通过Isight多学科优化设计平台，以车体各部件板材26个厚度尺寸参数作为设计变量，以车体结构同时承受各综

5、合载荷作用下的最大等效应力及最大垂向位移为约束条件，以车体质量和车体结构一阶垂向弯曲振动固有频率为目标函数进行多目标优化，得到一组车体结构性能最佳的参数组合。最后对优化前后的车体结构进行有限元虚拟疲劳计算，确保优化之后的车体结构在满足车体强度、刚度、抗疲劳性能和动态特性等设计要求基础上，实现车体结构的轻量化设计。在满足结构静态和动态性能的前提下，车体质量减轻538.75kg，轻量化效率为6.68%。车体结构一阶弯曲固有频率为18.65Hz，较初始车体结构一阶垂弯频率降低3.1%，高于铝合金车体结构一阶固有垂弯频率的建议值14Hz，

6、满足动车组动态设计要求。对优化前后车体结构进行多工况载荷下的疲劳对比计算，发现优化后的车体结构抗疲劳性能有所提高。本文可为相关设计人员进行高速列车车体结构多性能目标之间的权衡提供有用信息，也可对类似大型机械结构多目标优化设计的深入研究和工程应用提供一些有用的参考依据。关键词：高速列车；气动载荷；多体系统动力学；安全性；平稳性；多目标优化西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractHighspeedtrainisacomplexsystemengineering.Andthedesignofthecarbodyisnoto

7、nlyrequiredtomeetthebasicrequirementsofstrengthandstiffness,butalsoavarietyofsubjectproblemareinvolved,suchasaerodynamics,multi-bodydynamics,collisionsafetyandlightweightstructuredesign.Duringtheactualoperationofthetrain,thelightweightvehicleissubjectedtodifferentload

8、sincludingtheaerodynamicload,therandomvibrationloadproducedbythetrackexcitationandtheeffectiveloadproducedbytheequipmentandt