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高速动车组铝合金车体结构分析与基于灵敏度分析的优化

高速动车组铝合金车体结构分析及

基于灵敏度分析的优化探讨

纪　磊　许　信

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东　青岛　266111）

摘　要：在中国高速铁路的发展过程之中,取得了一系列的成绩,使得我国的高铁技术已经处于世界的领先水平.与此同时,在其发展的工程之中,还在主要的城市以及主要的经济区建设了城际高速动车.我国根据自身的发展需要也引进了一些先进的技术,对我国高速动车的设计以及发展具有重要的意义.笔者在文中主要对其铝合金车体结构进行了分析,并对其灵敏度优化的措施进行一定的探究.

关键词：高速动车组；铝合金车体结构；灵敏度分析；优化探讨

在2004年我国在德国和法国对高速列车进行引进,在10多年的发展之中,我国已经由最初的起步阶段发展到对外进行输出的阶段,这表明我国的高铁技术已经取得了巨大的成就.在这些成就的背后必须具有坚实的技术支撑,这也是我国高铁在未来发展之中的重要因素,其中最为主要的组成部分是高速动车组的铝合金车体结构设计技术,因此,对其进行研究与吸收具有重要的实践意义.

一、对灵敏度分析的分类以及方法分析

通过在设计变量选取的基础之上对其灵敏度分析进行分类,可以将其分为形状灵敏度与尺寸灵敏度,二者之间的主要差别在于其设计变量选取不同,形状灵敏度主要是对其节点位置进行考虑,而尺寸灵敏度主要是对其截面尺寸进行考虑.在对变量进行设计的过程之中,对其结构参数进行灵敏度计算时可以分为确定性与非确定性.对于灵敏度的分析可以分为静态相应与动态相应.在静态相应灵敏度之中主要包括的类型有应力、应变、位移灵敏度等.如果节点位移灵敏度已知,这样就可以对应力以及应变灵敏度进行计算.

对于灵敏度进行分析的方法可以划分为两大类,一类是建立在计算策略基础之上,一类是建立在实验数据的分析之上.在第一类方法之中又包含有离散法和变分法.其中离散法又可以具体分为在理论公式基础之上进行操作的方法,在有限元理论之上进行操作的方法.

二、进行结构优化的一般性过程分析

建立在有限元法基础之上的结构优化与对灵敏度进行分析,需要建立相应的有限元模型以及相应的数学模型.在有限元模型的构件之中,应该保证其机构的准确性,同时还应该保证对问题进行优化的合理性.对于问题优化的数学模型,首先需要对其设计变量X进行确定,这对其结构性特征具有决定性作用,在这些参数之中包含有设计参数和拓扑几何参数.在设计参数之中主要包含的是不同构件的结构尺寸、截面的面积等,在拓扑几何参数之中,主要包含的内容是杆件的长度、间距、节点坐标等.在这些参数之中,一部分是常数,已经提前给出；另一部分是变量.因此,优化问题的边界条件是由设计变量的上下所构成.其次,在对问题进行优化的结构之中,应该满足两个条件才可以有效发挥作用.一是要保证结构正常地发挥作用,即保障状态变量的有效性；二是要满足相关的规定以及在构造和工艺上的相关要求,即界限约束.在进行有限元的分析过程之中为目标函数、约束条件提供了相应的结构相应.

在对其进行优化的过程之中,往往将结构的分析以及算法联系在一起,并且建立相关的优化模型.在对结构模型的有限元分析之中,可以得到对相应的目标函数值以及性能约束值.通过对优化算法进行有效地应用,可以求得目标函数的相应解,因此,在对其进行使用的过程之中,可以根据优化机构的不同而选择相应的目标函数以及性能约束,进而对其结果进行较为精确的求得.

三、对车体结构灵敏度进行分析与优化的设计

通过对车体的结构进行一定的分析,可以找到影响车体性能的部件,并采取有效措施对其进行设计.笔者提出两个优化方案,一个是对车体的18个主要部件的厚度进行优化；一个是针对不同的部件灵敏度值不同,对其部件进行优化.文章的优化模型的确立主要是通过对车体的结构灵敏度进行了一定的分析与优化而实现的.在该模型之中,其目标函数是结构之中的最小质量.在对应力约束方面,在进行优化的过程之中,其车体的强度会受到结构尺寸改变的影响,因此,应该在进行应力约束的过程之中对其进行有效的控制,以避免在优化过程之中出现应力水平不稳定的状况.为了使得车体的刚度水平能够其标准的要求,其另一个约束为车体的垂向最大位移.

在进行车体的结构优化过程之中,应该选择最具有代表性的工况进行优化分析,这样能够对其应力进行相对准确地计算,进而得出其应力的状况.与此同时,在进行工况选择的情况下,为了使得其优化的结果更加具有普遍代表性,可以选择最恶劣的工况,如果进行优化后的车体能够在此种状况下满足其基本要求,那么在其它的工况之下也会使其相应的性能得到满足.

四、结语

文章通过对高速动车组列车车体优化进行了详细地分析,并且通过相关的计算方法对其局部强度进行了精确地计算,将其与实际测点值进行了比较与研究.基于灵敏度进行分析的方法对其车体结构进行优化分析,并对其性能进行一定的评估,以获得最优的优化结果.铝合金车体结构是高速动车组列车的重要组成部分,对其进行结构优化分析能够为动车组列车设计的发展带来一定的促进作用,使其其结构设计更为合理,以提升我国动车组列车发展的总体水平.

参考文献

[1] 张文霞.CRH5动车组内端墙对车体结构整体承载性能的影响分析及轻量化研究[D].北京交通大学,2015.

[2] 胡志峰.标准化动车组中间车体侧墙轻量化与结构优化设计[D].北京交通大学,2016.

[3] 张鹏.低温服役条件下高速动车组车轮失效机理及疲劳可靠性评价研究[D].浙江理工大学,2017.

结构分析论文范文结:

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5、论文结构