铁路货车车体优化设计及焊缝疲劳寿命预测

作     者：段丽芳 

作者单位：大连交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张军

授予年度：2010年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：铁路货车 优化设计 焊缝疲劳 有限元法 屈曲 

摘      要：铁路货车的发展方向是重载、高速,以提高运输效率并节约成本,车体的轻量化是铁路货车重载、高速的前提条件。本文以C80通用敞车车体为研究对象,对其进行初步的静力学分析表明,该车体应力大小及分布情况有待改善,即有些部位的应力很低,而有些部位的应力又几乎达到许用应力。这表明,车体有些部位的材料没有充分发挥作用,有些部位的强度又较低,优化设计可以有效改变车体材料分布不合理的状况,也是对车体进行轻量化设计的主要措施之一。 本文基于Hypermesh/Optistruct软件,以C80通用敝车车体为研究对象,建立了整车有限单元模型,计算了车体的强度和刚度;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C80通用敞车车体几何及有限元模型,进行静强度计算并对结构进行结果分析;2、对C80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、建立尺寸优化和拓扑优化模型,并进行结构优化设计;4、对结构优化设计后的C80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C80车体的主要焊缝的疲劳寿命。 本文基于Hypermesh/Optistruct软件对C80通用敝车的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,为铁路货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货车进行包括更多工况、进行尺寸、拓扑、形状一体化的涉及多学科的优化设计,以提高铁路货车的设计水平。