基于有限元分析的铁路货车车体优化设计VIP专享VIP免费

第32卷�第2期2011年4月大连交通大学学报JOURNAL�OF�DALIAN�JIAOTONG�UNIVERSITYVo.l32�No.2�Apr.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张军1,段丽芳1,李向伟2,兆文忠1(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��重载、快捷运输是铁路货运发展的方向,为提高重载货运列车的牵引吨位,各铁路技术发达国家都在积极发展大轴载、轻量化货车[1].铁路货车轻量化一是采用新的高性能材料或复合材料[2],二是提高设计水平,如对车体进行优化设计研究等[3-4].优化设计已成为提高设计水平、改善产品性能的主要方法之一,由于问题的复杂性,目前铁路车辆的优化设计主要应用在客车领域[5].在铁路货车领域,姚曙光和田红旗[6]对160t的重载敞车进行了车体结构优化设计,优化后车辆的自重系数仅为0.16,远小于国内目前运用的其它类型敞车,优化中考虑了非线性屈曲等因素.王晓伟[7]对低边耐候钢敞车车体轻量化问题进行了研究.总体来看,这方面的研究较少,对铁路货车的进一步优化设计研究很有必要.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,梁也是较厚的板,如C80敞车底架由中梁、侧梁、枕梁、及钢地板等组焊而成,侧墙为板柱式结构,由上侧梁、侧柱、侧板、连铁、斜撑、侧柱补强板及侧柱内补强座等组焊而成,端墙由上端梁、角柱、横带及端板等组焊而成,这些构件均为板梁结构,在进行刚度和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,因此有必要对车体进行优化设计研究,以降低车体重量,满足车辆提速重载的需求.本文以C80通用敞车为例,首先建立C80通用敞车车体的几何及有限元模型,计算了两个主要工况下的强度和刚度.以此为基础,考虑C80敞车的结构特点,以各板的厚度为设计变量,以车体重量最小化为目标,以强度和刚度为约束,建立了优化数学模型,用可行方向法完成了货车车体的优化设计研究.1�结构分析的有限元法有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体.两相邻单元间只通过节点相连接,将作用在结构体上的外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量,以这些单元体的集合替代原来的连续结构实体,这一过程称为连续体的离散化.离散化过程就是将被分析的工程实体简化为有限元计算模型的过程,因此也称为模型化过程.由于单元能按不同的联结方式组合,且单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�大连交通大学学报第32卷形状复杂的求解域.有限元方法是在离散化的模型上求解,将复杂的连续弹性体上分析的问题转化为在离散化的模型上解一个多元代数方程.有限元方法按照节点基本未知变量可分为位移法、应力法和混合法,应用最多的是位移法.位移法是以离散有限元模型中各节点的位移为未知变量,应用位移法的系统离散有限元方程可以表示为[K]{�}={F}(1)式中[K]为系统刚度矩阵,刚度矩阵与有限元单元划分情况、位移模式选取、材料性能有关;{�}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{�},进而容易求出各节点的应力.2�优化数学模型及优化算法��优化设计的目标是减小车体的重量,并满足强度和刚度要求,设计变量以车体各板的厚度为设计变量.设构成车体第i个板厚度为xi,则优化数学模型可以表示为设计变量X=x1,x2,�,xi,�,xn(...