钢铝地铁车车体疲劳计算及优化

【摘要】：车体是铁路车辆的载体,是主要的承载部件之一,在实际运行线路中承载着复杂多变的动态交变载荷。近年来,由于铁路车辆朝着高速度、高舒适度及轻量化的方向发展,这导致车体承载的动态交变载荷更加复杂,增加了车体结构发生疲劳失效的可能性,因此对车体进行疲劳寿命与优化的研究具有重要意义。本文基于有限元前处理软件Hyper Mesh进行建模,对钢铝地铁车车体的模态、刚度、强度、疲劳性能展开了研究,并对其车体进行了尺寸优化和拓扑优化,主要工作如下:首先,利用Hyper Mesh软件对钢铝地铁车车体建立有限元模型,并通过ANSYS对车体的模态、刚度、强度进行计算,依据相关标准对模态、刚度、强度进行校核,得出模态、刚度、强度均符合相关标准规定,且车体的大部分结构安全余量富余和部分结构应力集中较明显的结果,因此后续进行车体轻量化和车体部分结构的拓扑优化。其次,分析了钢铝地铁车车体关键焊缝的疲劳特性。第一步是根据相关标准制定出3个疲劳计算工况,得出3个工况下的应力变化范围。第二步是基于IIW标准选取危险焊缝,确定焊缝类型与焊缝等级“对号入座”。第三步是根据Miner累积损伤理论得出地铁车车体的16条危险焊缝的累积损伤比均小于1的结论。最后,基于Opti Struct软件对地铁车车体展开了以轻量化为目标的尺寸优化和以减小应力集中为目标的拓扑优化。对于尺寸优化,设置目标函数,约束条件,设计变量等参数,经过多次迭代得到收敛可行解,此次尺寸优化轻量化效果明显且满足车体刚度、强度的评价标准,故满足此次优化的目的。对于车体结构的拓扑优化,进行相关参数的设置,经过多次迭代得到收敛可行解,根据其单元密度云图设置加强筋,设置加强筋后此处结构的应力值有较大的减幅,故满足此次优化的目的。