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高速机车构架拓扑优化仿真

张开林 周春平

张开林, 周春平. 高速机车构架拓扑优化仿真[J]. 交通运输工程学报, 2009, 9(6): 42-46. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2009.06.009
引用本文: 张开林, 周春平. 高速机车构架拓扑优化仿真[J]. 交通运输工程学报, 2009, 9(6): 42-46. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2009.06.009
ZHANG Kai-lin, ZHOU Chun-ping. Topology optimization simulation of framework for high-speed locomotive[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2009, 9(6): 42-46. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2009.06.009
Citation: ZHANG Kai-lin, ZHOU Chun-ping. Topology optimization simulation of framework for high-speed locomotive[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2009, 9(6): 42-46. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2009.06.009

高速机车构架拓扑优化仿真

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2009.06.009
基金项目: 

国家自然科学基金项目 50875219

牵引动力国家重点实验室自由探索自主研究课题 2008TPL_T06

详细信息
    作者简介:

    张开林(1967-), 男, 江苏镇江人, 西南交通大学教授, 工学博士, 从事机车车辆结构与疲劳强度研究

  • 中图分类号: U260.331

Topology optimization simulation of framework for high-speed locomotive

More Information
  • 摘要: 为了获得高速机车构架最优轻量化的结构方案, 基于渐进结构优化法(ESO), 应用ANSYS单元生死功能的二次开发, 设定一应力阀值, 将相对低应力或低应变能密度的单元“杀死”, 通过APDL语言编制拓扑优化程序, 对某高速动力车辆转向架构架内部筋板位置进行了拓扑优化仿真, 提出了构架梁体内部筋板的最优拓扑位置, 并对构架的板厚进行了尺寸优化。仿真结果表明: 构架前后端梁应力优化后增加了30%左右, 侧梁应力优化后增加了10%左右, 构架整体应力分布更趋于均匀; 通过对构架结构的拓扑及尺寸优化, 构架质量减轻了143.92kg, 减幅约为10%, 在实现等强度设计的同时, 达到了构架轻量化的目的。

     

  • 图  1  二次开发程序流程

    Figure  1.  Redevelopment procedure

    图  2  设计区域计算模型

    Figure  2.  Computational model of design region

    图  3  优化后侧梁筋板拓扑结构

    Figure  3.  Topology structure of ribbed plate in lateral beam after optimization

    图  4  优化后牵引后端梁筋板拓扑结构

    Figure  4.  Topology structure of ribbed plate in drawing rear end-beam after optimization

    图  5  优化后前端梁筋板拓扑结构

    Figure  5.  Topology structure of ribbed plate in front end-beam after optimization

    图  6  构架最大应力曲线

    Figure  6.  Maximum stress curve of bogie frame

    图  7  活单元总体积曲线

    Figure  7.  Total volume curve of living elements

    图  8  优化前侧梁筋板布置

    Figure  8.  Schematic layout of ribbed plate in lateral beam before optimization

    图  9  优化后侧梁筋板布置

    Figure  9.  Schematic layout of ribbed plate in lateral beam after optimization

    图  10  优化后构架Top面应力分布

    Figure  10.  Top surface stress distribution of optimized bogie frame

    图  11  优化后构架Goodman图

    Figure  11.  Goodman chart of optimized bogie frame

    表  1  尺寸优化结果

    Table  1.   Result of size optimization  mm

    序号 物理意义 初值 下限值 上限值 优化结果
    1 侧梁上盖板 10 6 16 8
    2 侧梁内、外立板 8 6 12 7
    3 侧梁立板加强板 12 8 18 9
    4 侧梁筋板 6 5 10 5
    5 前端梁上盖板 8 5 12 6
    6 前端梁下盖板 10 6 16 6
    7 前端梁内、外立板 8 6 12 9
    8 前端梁吊装孔立板 6 5 10 5
    9 牵引后端梁上盖板 10 6 16 9
    10 牵引后端梁牵引处下盖板 24 18 30 22
    11 牵引后端梁非牵引处下盖板 14 10 20 10
    12 牵引后端梁内、外立板 8 5 12 6
    13 牵引后端梁筋板 6 5 10 8
    14 侧梁下盖板 10 6 16 14
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    表  2  优化前、后各参数对比

    Table  2.   Comparison of each parameter values before and after optimization

    参数 左侧梁的σmax/MPa 右侧梁的σmax/MPa 牵引后端梁的σmax/MPa 前端梁的σmax/MPa 构架总质量/kg
    优化前 176.50 189.06 101.29 64.53 1 387.89
    优化后 199.18 202.62 129.74 85.27 1 243.97
    变化值 22.68 13.56 28.45 20.74 -143.92
    变化率/% 12.85 7.17 28.09 32.14 -10.37
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出版历程
  • 收稿日期:  2009-08-21
  • 刊出日期:  2009-12-25

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