基于ANSYS Workbench的车架结构有限元分析及拓扑优化技术研究

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导师姓名
周超英
学科专业
机械电子工程
文献出处
哈尔滨工业大学   2015年
关键词
轨道车车架论文  有限元法论文  静力分析论文  动力分析论文  拓扑优化论文
论文摘要

车架作为电动轨道车车身的重要承载结构,承受着行驶时产生的各类复杂载荷,对整车性能的优劣有其至关重要的影响。车架需要承受弯曲、扭转等各种载荷引起的剪切力和弯矩,需要承受电机及传动系统的不平衡等激振引起的振动,所以车架特性对电动轨道车的整车性能十分重要。通过有限元法研究车架性能及采用拓扑优化技术研究车架结构,能够有效的提升整车结构的静、动态性能。本文以电动轨道车的车架结构作为研究对象,采用ANSYS Workbench建立原车架的有限元模型,计算车架的强度、刚度性能以及模态性能,并验证了原车架结构的性能符合设计标准。采用拓扑优化变密度法优化了原车架结构,依据拓扑结构从新设计了轨道车车架及其零部件,并对新车架结构的强度、刚度性能和模态性能展开了细致的研究,以期提升车架结构及整车的性能,为车架结构设计提供理论依据。本文通过对比改进前后车架结构的各项性能参数,证明了新车架结构的有限元模型及所施加的边界条件具备合理性。拓扑优化研究表明,经拓扑优化后被研究的新车架结构的抗弯曲强度、扭转刚度等性能参数均有一定幅度的提升,特别是车架结构抗扭转刚度提高较为显著。车架的整体动力学性能有较大的提高,特别是低阶模态频率有较大的提升,使新车架结构有效的避免了较大振动,实现了车架的减振设计。本文研究表明:研究车架的有限元法及车架拓扑优化技术对于指导电动轨道车车架的结构设计具有较好的适用性。在实际车架的应用中,采用有限元法及拓扑优化技术对电动轨道车车架展开结构优化设计,不但能够大幅增加整车刚度性能,且可实现对车架结构的有效减振以及车架的轻量化设计。

论文目录
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摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景与意义

1.3 国内外研究现状及分析

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 车架的静力学性能分析

2.1 引言

2.2 车架有限元分析

2.2.1 车架强度理论

2.2.2 车架结构有限元模型设置

2.2.3 车架不同网格的数值模拟

2.3 车架满载弯曲性能分析

2.3.1 弯曲强度分析

2.3.2 弯曲刚度分析

2.4 车架满载扭转性能分析

2.4.1 扭转强度分析

2.4.2 扭转刚度分析

2.5 车架结构的性能校核

2.6 车架结构的改进方案

2.7 本章小结

第3章 车架结构的模态性能分析

3.1 引言

3.2 模态的理论基础

3.2.1 模态分析理论

3.2.2 模态分析的有限元法

3.2.3 模态提取方法

3.3 模态分析设置

3.3.1 模态参数设置

3.3.2 加载与求解

3.3.3 模态扩展

3.4 模态结果分析

3.5 本章小结

第4章 车架拓扑优化技术研究及应用

4.1 引言

4.2 拓扑优化理论及技术研究

4.2.1 拓扑优化理论

4.2.2 拓扑优化算法

4.2.3 变密度法材料插值模型的研究

4.2.4 变密度法及渐进法拓扑技术分析

4.3 车架拓扑优化有限元建模

4.3.1 单元的选择

4.3.2 材料属性定义

4.3.3 网格划分

4.4 车架拓扑优化参数设置

4.4.1 边界条件

4.4.2 施加设计域载荷

4.4.3 优化参数设置

4.5 拓扑优化分析

4.5.1 典型工况的拓扑优化

4.5.2 拓扑优化结构的改进

4.5.3 拓扑优化结果分析

4.6 本章小结

第5章 拓扑优化车架的性能分析

5.1 引言

5.2 优化后车架静态性能分析

5.2.1 弯曲工况分析

5.2.2 扭转工况分析

5.3 优化后车架的模态分析

5.4 优化前后车架性能参数对比

5.4.1 优化后整车性能测试

5.4.2 优化后车架性能参数分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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