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《基于有限元分析的铁路货车车体优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第32卷第2期大连交通大学学报Vo.l32No.22011年4月JOURNALOFDALIANJIAOTONGUNIVERSITYApr.2011文章编号:1673-9590(2011)02-0001-04基于有限元分析的铁路货车车体优化设计1121张军,段丽芳,李向伟,兆文忠(1.大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;2.齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司技术中心,黑龙江齐齐哈尔161002)*摘要:以车体轻量化优化设计为目标,建立了C80通用敞车的有限元模型,对车体在主要工况下的强度和刚度进行了计算;以此为基础,建立了车体优化模型,以整个车体的各板
2、厚度为设计变量,以整车各单元应力、中梁和边梁位移为约束,以重量最小为目标,用可行方向法对各设计变量进行优化,实现了车辆优化设计,优化设计使车体重量减小了13.83%.本文研究表明,优化设计是车辆轻量化的有效方法.关键词:铁路货车;有限单元法;优化设计;强度;轻量化文献标识码:A0引言强度分析时一些主要受力构件及非主要承载构件应力都很低,车体应力分布很不均匀,因此有必要重载、快捷运输是铁路货运发展的方向,为提对车体进行优化设计研究,以降低车体重量,满足高重载货运列车的牵引吨位,各铁路技术发达国家[1]车辆提速重载的需求.都在积极发展大轴载、轻量化货车.铁路货车轻[2]本文以C80
3、通用敞车为例,首先建立C80通量化一是采用新的高性能材料或复合材料,二是[3-4]用敞车车体的几何及有限元模型,计算了两个主提高设计水平,如对车体进行优化设计研究等.要工况下的强度和刚度.以此为基础,考虑C80优化设计已成为提高设计水平、改善产品性能的主敞车的结构特点,以各板的厚度为设计变量,以车要方法之一,由于问题的复杂性,目前铁路车辆的[5]体重量最小化为目标,以强度和刚度为约束,建立优化设计主要应用在客车领域.在铁路货车领[6]了优化数学模型,用可行方向法完成了货车车体域,姚曙光和田红旗对160t的重载敞车进行了的优化设计研究.车体结构优化设计,优化后车辆的自重系数仅为0.16
4、,远小于国内目前运用的其它类型敞车,优化1结构分析的有限元法[7]中考虑了非线性屈曲等因素.王晓伟对低边耐候有限元法的基本思想是将连续的求解区域离钢敞车车体轻量化问题进行了研究.总体来看,这散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起方面的研究较少,对铁路货车的进一步优化设计研的单元的组合体.两相邻单元间只通过节点相连究很有必要.接,将作用在结构体上的外载荷按静力等效原则各种敞车是我国货物运输的主要车辆,敞车的特点是由各种板、梁焊接而成,梁也是较厚的分解为等效节点载荷向量,以这些单元体的集合板,如C80敞车底架由中梁、侧梁、枕梁、及钢地替代原来的连续结构实体,这一过程称为连续体板等组
5、焊而成,侧墙为板柱式结构,由上侧梁、侧的离散化.离散化过程就是将被分析的工程实体柱、侧板、连铁、斜撑、侧柱补强板及侧柱内补强座简化为有限元计算模型的过程,因此也称为模型等组焊而成,端墙由上端梁、角柱、横带及端板等化过程.由于单元能按不同的联结方式组合,且单组焊而成,这些构件均为板梁结构,在进行刚度和元本身又可以有不同形状,因此可以模型化几何*收稿日期:2010-10-18基金项目:铁道部计划资助项目(200900J005-A)作者简介:张军(1964-),男,副教授,博士,主要从事结构优化设计、声学仿真及优化设计的研究E-mai:lzh@jdjtu.edu.cn.2大连交通大学学报
6、第32卷0形状复杂的求解域.有限元方法是在离散化的模行分成两步,从一个可行点x出发:型上求解,将复杂的连续弹性体上分析的问题转(1)求一个可行方向S;化为在离散化的模型上解一个多元代数方程.有(2)沿着可行方向S求步长使目标函数极k限元方法按照节点基本未知变量可分为位移法、小化,求得一个新的可行点x.应力法和混合法,应用最多的是位移法.位移法是当相邻两次迭代结果满足收敛准则或者相邻以离散有限元模型中各节点的位移为未知变量,两次迭代的设计变量变化很小甚至没有变化时,应用位移法的系统离散有限元方程可以表示为停止迭代,且称优化设计收敛,而前一种为规则收[K]{}={F}(1)敛,后
7、一种为软收敛.本文中的收敛准则采用规则式中[K]为系统刚度矩阵,刚度矩阵与有限元单收敛,取值为0.005.元划分情况、位移模式选取、材料性能有关;{}3车体有限元模型为各节点位移构成的未知向量;{F}为载荷向量.按式(1)可以求出位移向量{},进而容易求为减少计算量并合理利用车体的对称性,取出各节点的应力.1/4车体进行网格划分并在对称面施加对称约束.除心盘采用实体单元模拟外,板梁结构均采用2优化数学模型及优化算法壳单元模拟,板之间使用梁单元连
