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耦合排障−吸能的高速列车排障器结构双尺度拓扑优化设计

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第5期55卷 1966-1978页

作者：郭砚昭张乐乐窦伟元北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044

排障器置于列车前端,先于车体冲击排开轨道上的障碍物。在列车速度或障碍物尺寸发生改变时,排障器结构在刚度和吸能特性上具有不同的设计要求。为了设计一种耦合排障−吸能的结构形式,提出一种整体大刚度(排障)、局部结构降低冲击力(削... 详细信息

排障器置于列车前端,先于车体冲击排开轨道上的障碍物。在列车速度或障碍物尺寸发生改变时,排障器结构在刚度和吸能特性上具有不同的设计要求。为了设计一种耦合排障−吸能的结构形式,提出一种整体大刚度(排障)、局部结构降低冲击力(削峰吸能)的双尺度优化设计方法。该方法在以刚度为目标的整体结构初设计中确定变形区间,并在串行路线下完成以引导结构变形为目标的局部结构优化,最终形成新型排障器。研究结果表明:在基于标准EN 15227的静载荷工况下,新型排障器结构的质量降低了7%,同时,结构安全性提升;在冲击刚性墙仿真中,相较于原有排障器,新型排障器的峰值力降低了17.5%,且优化后的缓冲梁结构使排障器中部产生的弯折变形变为压缩变形,有效缓解了排障器后侧对车体结构的挤压现象。

关键词：高速列车排障器等效静态载荷法拓扑优化

基于损伤演化模型的高速列车侧墙碰撞失效分析

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第5期53卷 1834-1842页

作者：刘文张乐乐茹一帆北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044

将弹塑性材料模型与损伤演化模型耦合构建碰撞仿真的本构模型,在GISSMO损伤演化模型基础上引入应力状态对失效的影响。基于Al6061不同应力状态试件试验的仿真校验材料模型参数,实现高速列车侧墙结构碰撞过程的失效响应分析。研究结果表... 详细信息

将弹塑性材料模型与损伤演化模型耦合构建碰撞仿真的本构模型,在GISSMO损伤演化模型基础上引入应力状态对失效的影响。基于Al6061不同应力状态试件试验的仿真校验材料模型参数,实现高速列车侧墙结构碰撞过程的失效响应分析。研究结果表明:在Al6061试验中,相比于常数失效应变,损伤演化模型的仿真误差明显偏小;在碰撞中,失效单元内的应力三轴度随空间位置、碰撞历程在-0.67~0.67之间反复变化,随应力三轴度升高,失稳应变、损伤累积导致的实际失效应变逐步降低;同时,弹塑性模型与损伤演化模型揭示了高速列车侧墙结构碰撞过程的弯曲、褶皱变形与损伤积累,直至局部出现失效,避免了常数失效应变、不考虑失效条件下掩盖材料劣化过程而对结构承载的理想化预测。

关键词：碰撞仿真损伤演化模型应力状态失效分析

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基于SIMP-安定的高速列车组合式座椅底架轻量化设计与分析

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工程科学学报 2024年第6期46卷 1151-1160页

作者：黄昌雄陈耕黄松华张乐乐北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044 西交利物浦大学智能工程学院苏州215123

在高速列车座椅轻量化设计中,传统设计方法所普遍采用的结构优化技术仅以结构刚度或局部应力水平为目标,无法得到交变载荷作用下效率最高的结构构型.列车座椅在实际使用中受到轨道与应用场景的影响,除主结构需具备一定强度外,其关键部... 详细信息

在高速列车座椅轻量化设计中,传统设计方法所普遍采用的结构优化技术仅以结构刚度或局部应力水平为目标,无法得到交变载荷作用下效率最高的结构构型.列车座椅在实际使用中受到轨道与应用场景的影响,除主结构需具备一定强度外,其关键部件也要求在交变载荷作用下不发生明显变形.在此背景下,提出了一种采用固体各向同性惩罚微结构插值(SIMP)算法对主结构进行以刚度为目标的拓扑优化,同时以安定直接法对关键部件进行以安定强度为目标的参数优化一体化的设计与分析方法.采用所提出的方法对高速列车组合式座椅底架进行了优化,取得了显著成果.优化后的座椅底架在性能满足要求的前提下,底架主结构减重17%、L型连接件承载交变载荷的结构效率提高23%.所提出的研究方法及结果对于同类结构的轻量化设计具有重要意义.

关键词：高速列车底架拓扑优化安定轻量化

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航天器密封舱结构的安定分析与优化

中国机械工程 2022年第20期33卷 2502-2508页

作者：王新陈耕刘峰余晨帆张乐乐北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044 北京空间飞行器总体设计部北京100094

壁板式密封舱结构是返回式航天器的主要金属部件,其载荷复杂、可靠性要求高、结构优化目标不易实现。由于以弹性极限为核心的传统设计方法难以在保证强度的前提下有效实现结构减重,提出了一种基于安定理论的密封舱结构设计与优化方法。... 详细信息

壁板式密封舱结构是返回式航天器的主要金属部件,其载荷复杂、可靠性要求高、结构优化目标不易实现。由于以弹性极限为核心的传统设计方法难以在保证强度的前提下有效实现结构减重,提出了一种基于安定理论的密封舱结构设计与优化方法。使用Abaqus参数化建模方法对不同参数组合下的模型进行了批量化安定分析,在得到各种设计构型的安定载荷因子后进行了详尽的敏感度分析,综合考虑了各构型的质量强度关系并给出了效率较高的设计方案。研究结果表明,将安定分析用于密封舱结构,可以在保持质量不变的前提下,通过优化结构尺寸有效提高承载能力。

关键词：安定密封舱参数化建模结构优化

基于并行NSGA-Ⅲ算法的高速列车车体侧墙结构高维多目标优化

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机械工程学报 2024年第6期60卷 321-333页

作者：柴依扬张乐乐窦伟元张海峰北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044 中车长春轨道客车股份有限公司长春130062

针对传统多目标优化算法在高维优化问题中多样性不足、收敛速度慢,联合仿真优化的计算效率难以满足实际工程需求等问题,提出基于SPMD并行的NSGA-Ⅲ联合仿真优化方法,由MATLAB优化器与FEM求解器构建联合仿真平台,通过调用多个求解器并行... 详细信息

针对传统多目标优化算法在高维优化问题中多样性不足、收敛速度慢,联合仿真优化的计算效率难以满足实际工程需求等问题,提出基于SPMD并行的NSGA-Ⅲ联合仿真优化方法,由MATLAB优化器与FEM求解器构建联合仿真平台,通过调用多个求解器并行计算优化过程中的适应度函数,以提高面向复杂结构高维优化的计算效率。简单型材算例分析表明,在合理利用计算资源的情况下,提出的并行联合优化方法与传统串行方法相比,优化效率提高近一倍。以大型复杂机械结构高速列车车体侧墙为对象,建立多工况高维多目标优化问题,解析车体强度、刚度对侧墙结构不同区域型材厚度敏感性;对比分析Pareto解集,在侧墙质量减少0.96%的前提下,弯曲和扭转刚度分别增加了7.51%、5.39%,最大应力减少了12.18%。同时,相较于NSGA-Ⅱ算法,NSGA-Ⅲ算法可为车体结构优化设计提供更多符合期望的优化解集。

关键词： NSGA-Ⅲ算法 SPMD并行多目标优化联合仿真高速列车车体

基于Voronoi吸能管的新型全向防爬器设计与仿真

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第5期53卷 1813-1823页

作者：朱宇张乐乐窦伟元张海峰北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044 中车长春轨道客车股份有限公司吉林长春130062

针对轨道车辆现有防爬器难以兼顾稳定全向防爬及大吸能阈值下高载荷效率的功能需求,提出一种基于Voronoi吸能管的新型全向防爬器,该防爬器由具有“引导-啮合”作用的全向防爬齿板及二维Voronoi异面拉伸吸能结构组成,建立基于显式动力学... 详细信息

针对轨道车辆现有防爬器难以兼顾稳定全向防爬及大吸能阈值下高载荷效率的功能需求,提出一种基于Voronoi吸能管的新型全向防爬器,该防爬器由具有“引导-啮合”作用的全向防爬齿板及二维Voronoi异面拉伸吸能结构组成,建立基于显式动力学的吸能结构及防爬器有限元模型并进行仿真分析。研究结果表明:随胞元数和胞元规则度增大,胞元可控的Voronoi吸能管可以在一定程度上提升Voronoi吸能管的吸能效率;该新型防爬器在由水平、垂直及倾斜3个偏置参数相组合的7个工况中均能有效引导对中并稳定啮合,且随着引导偏置量的增大,防爬器所提供摆正车体的力增大。在结构耐撞性方面,由于2对撞吸能管所形成塑性铰的差异以及防爬齿板引导的共同作用,防爬器撞击时的初始峰值力明显降低;相比于理想对心碰撞,偏置的存在会提高该防爬器的吸能效率、载荷效率和初始峰值力(倾斜偏置工况除外)。

关键词：轨道车辆 Voronoi多边形防爬器耐撞性防全向错位

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基于联合插值的高速列车车体结构流固耦合动态响应分析

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第5期53卷 1782-1791页

作者：窦伟元郭盛张乐乐张町北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044 中国铁路北京局集团有限公司秦皇岛工务段河北秦皇岛066000

基于单元中心点-节点联合插值方法,由径向基函数构造流体域与固体域非匹配网格间的数值传递表达,分析大型复杂结构的流固耦合;以某型高速列车头车车体为例,研究其在明线会车、单车通过隧道以及隧道会车3种不同工况下车体结构的动态响应... 详细信息

基于单元中心点-节点联合插值方法,由径向基函数构造流体域与固体域非匹配网格间的数值传递表达,分析大型复杂结构的流固耦合;以某型高速列车头车车体为例,研究其在明线会车、单车通过隧道以及隧道会车3种不同工况下车体结构的动态响应,并与定值均布加载方法进行对比。研究结果表明:基于联合插值的流固耦合数据传递方法,可将整体相对误差控制在2.62%以下,比传统节点插值方法的最大相对误差(9.10%)要小;3种典型工况下,车体结构应力波动幅值由高到低分别为隧道会车、单车通过隧道和明线会车;虽然均布载荷工况最大应力水平较高,但无法考虑非对称载荷引起的交变应力。

关键词：流固耦合非匹配网格联合插值高速列车动态响应

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耦合材料-结构的设计与评估方法

机械工程学报 2021年第22期57卷 1-2页

作者：张乐乐陈耕 BROECKMANN Christoph 常超北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044 德国亚琛工业大学机械工程材料应用研究所亚琛52062德国太原科技大学应用理学院太原030024

材料和结构形式是影响机械结构设计的两个主要因素,随着新型复合材料、新型制造工艺以及新型结构模式的不断出现,尤其是机械结构在复杂载荷条件下可能表现出的塑性、蠕变、损伤累积、疲劳等非线性行为对于结构承载性能的影响,使得设计... 详细信息

材料和结构形式是影响机械结构设计的两个主要因素,随着新型复合材料、新型制造工艺以及新型结构模式的不断出现,尤其是机械结构在复杂载荷条件下可能表现出的塑性、蠕变、损伤累积、疲劳等非线性行为对于结构承载性能的影响,使得设计与评估方面的工程问题尤为显著。传统的材料选择与结构设计相对无关、顺序评估方法不再能完全满足现有需求,因此在结构设计中不应将材料简化为给定的性能和参数。

关键词：机械结构设计新型制造工艺损伤累积非线性行为复杂载荷设计与评估承载性能新型复合材料

不同桩基形式高桩码头地震动力损伤振动台试验研究

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土木工程学报 2018年第S2期51卷 28-34页

作者：宋波谢明雷李吉人北京科技大学北京100083 强震区轨道交通工程抗震研究北京市国际科技合作基地北京100083

为研究不同地震动作用下钢管直桩与钢管斜桩高桩码头结构的动力反应特征及桩基结构震损模式,以某典型钢管桩基高桩码头为研究对象,基于相似准则,设计并开展了室内振动台试验研究。研究表明:远场地震动对直桩桩基码头结构的影响较大,而... 详细信息

为研究不同地震动作用下钢管直桩与钢管斜桩高桩码头结构的动力反应特征及桩基结构震损模式,以某典型钢管桩基高桩码头为研究对象,基于相似准则,设计并开展了室内振动台试验研究。研究表明:远场地震动对直桩桩基码头结构的影响较大,而斜桩结构对近场地震动的激励更敏感。地震动作用下,直桩模型无明显损伤迹象;斜桩模型桩体在桩顶处发生断裂,且在固结泥面处发生了屈曲破坏。其破坏原因是:在持续强震荷载的作用下,伴随大变形的产生,大刚度斜桩结构承受了较大的地震作用,桩顶部弯矩瞬时急剧增大,致使斜桩发生断裂,导致结构的脆性破坏,属于非延性设计。基于以上研究,建议在地震动峰值加速度小于400Gal时可采用钢管斜桩高桩码头的结构形式。

关键词：高桩码头桩基形式振动台试验地震动力响应震损模式