虚拟样机技术在大轴重铁路罐车设计中应用研究

论文摘要

铁路机车车辆虚拟样机系统是虚拟样机技术在铁路机车车辆设计与制造行业的具体应用,它是一个全面支持高速动车组、重载货车、提速机车三大新型产品开发与设计的集成仿真系统。论文指出虚拟样机最核心的技术是性能仿真（CAE）。围绕虚拟样机性能仿真管理与支撑技术,论文开展了一系列研究。本文基于Hypermesh/Optistruct软件以及Ansys软件,以铁路罐车车体为研究对象,建立了1/2车体的有限单元模型,计算了车体的强度、刚度和屈曲；以此为基础,以各部分板的厚度为设计变量,以强度和刚度为约束,以车体重量最小为目标,建立了车体的优化数学模型,用可行方向法实现了多工况强度和刚度约束下车体重量最小化设计研究。对优化后的车体焊缝疲劳寿命和车体结构线性稳定性进行了评估,焊缝疲劳寿命评估采用ASME-2007标准主S-N曲线法,基于对网格不敏感的等效结构应力法,稳定性主要考虑了压缩载荷作用下的结构线性屈曲稳定性,研究内容和得到的结论如下：1、建立铁路罐车车体几何及有限元模型,进行静强度计算并对结果进行分析；2、对铁路罐车车体进行结构线性稳定性分析和主要焊缝疲劳寿命预测,从而确定是否具有充分的优化设计空间；3、建立尺寸优化模型,并进行结构优化设计4、对结构优化设计后的铁路罐车车体进行结构线性稳定性校核,并根据结构稳定性计算情况对优化结果进行修正,使其满足静力及结构稳定性要求；5、校核修正后的铁路罐车车体的主要焊缝的疲劳寿命。本文基于Hypermesh/Optistruct软件对铁路罐车进行结构优化设计最终使车体减重13.83%,并满足了强度、刚度及结构线性稳定性和焊缝疲劳强度的要求,达到了轻量化的目标,为铁路罐车车体的轻量化设计提供一个新的方法,基于本文的研究可以对铁路罐车进行包括更多工况、尺寸、形状一体化的涉及以及多学科的优化设计,以提高铁路罐车的设计水平。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的背景及意义
• 1.2 虚拟样机的研究现状
• 1.3 铁路罐车车体结构优化的研究概况
• 1.3.1 国外铁路罐车车体结构优化的研究概况
• 1.3.2 国内铁路罐车车体结构优化的研究概况
• 1.4 铁路车辆焊接结构疲劳寿命预测现状
• 1.4.1 国外铁路罐车车体焊缝疲劳寿命的研究概况
• 1.4.2 国内铁路罐车车体焊缝疲劳寿命的研究概况
• 1.5 本文的主要研究内容及研究方法概述
• 1.5.1 本文的主要研究内容
• 1.5.2 车体结构优化研究方法概述
• 1.5.3 疲劳寿命预测方法概述
• 本章小结
• 第二章 铁路罐车车体静力分析
• 2.1 有限元方法的基本原理
• 2.1.1 有限元法的基本思想
• 2.1.2 有限元法的算法原理
• 2.2 罐车车体几何模型的建立
• 2.3 罐车车体有限元模型的建立
• 2.3.1 有限元模型的建模原则
• 2.3.2 有限元模型网格划分
• 2.3.3 材料属性的定义
• 2.3.4 施加边界条件
• 2.4 静强度计算及结果分析
• 2.4.1 车辆结构评定标准
• 2.4.2 罐车车体静强度计算及结果分析
• 本章小结
• 第三章 铁路罐车车体结构线性稳定性分析及焊缝疲劳寿命预测
• 3.1 结构线性稳定性分析
• 3.1.1 结构线性稳定性基本知识
• 3.1.2 罐车车体结构线性稳定性分析
• 3.2 焊缝疲劳寿命预测
• 3.2.1 铁路车辆焊缝疲劳寿命评估概述
• 3.2.2 罐车车体主要焊缝疲劳寿命预测及结果分析
• 本章小结
• 第四章 铁路罐车车体结构优化设计
• 4.1 Optistruct软件简介
• 4.1.1 Optistruct的优化功能
• 4.1.2 Optistruct结构优化设计流程
• 4.1.3 Optistruct迭代算法
• 4.2 罐车车体的尺寸优化
• 4.2.1 尺寸优化设计的基本理论
• 4.2.2 车体尺寸优化模型的建立
• 4.2.3 车体尺寸优化及结果分析
• 本章小结
• 第五章 优化设计结果校核与修正
• 5.1 优化后的稳定性校核
• 5.2 根据刚度和稳定性要求对优化结果进行修正
• 5.3 优化设计后的疲劳寿命校核
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢