發(fā)布時(shí)間：2020-05-29 17:50

【摘要】：近幾年國(guó)內(nèi)客車(chē)行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛,當(dāng)前我國(guó)正處在由客車(chē)大國(guó)向客車(chē)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段,激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)客車(chē)技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)研究提出了更高的要求,客車(chē)車(chē)身骨架的設(shè)計(jì)作為核心支撐技術(shù)之一,是確�？蛙�(chē)向安全、節(jié)能與環(huán)保方向發(fā)展的關(guān)鍵因素。為了滿足日益嚴(yán)苛的輕量化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),高強(qiáng)鋼、鋁合金和鎂合金等輕質(zhì)材料在汽車(chē)上的應(yīng)用正逐漸增多,目前針對(duì)客車(chē)骨架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法還集中在單一材料方面的研究,本文提出采用多材料拓?fù)鋬?yōu)化與截面尺寸優(yōu)化結(jié)合的方法研究客車(chē)車(chē)身骨架輕量化問(wèn)題。本文首先研究了一種新的拓?fù)鋬?yōu)化描述方法,即序列SIMP(Ordered Solid Isotropic Material with Penalization)法,包括序列SIMP函數(shù)不同的懲罰方式與曲線類(lèi)型對(duì)插值有效性的影響以及懲罰因子的取值范圍等。在序列SIMP插值方法基礎(chǔ)上,提出了一種從多材料拓?fù)鋬?yōu)化到截面尺寸優(yōu)化的兩步客車(chē)骨架優(yōu)化方法。采用梁?jiǎn)卧罱ǹ蛙?chē)骨架有限元模型,對(duì)于多材料拓?fù)鋬?yōu)化,采用序列SIMP方法建立多種材料的彈性模量與密度之間的插值關(guān)系,用密度變量代替材料變量與拓?fù)渥兞?將材料優(yōu)化納入到拓?fù)鋬?yōu)化的體系,從而可以使用鋁合金、鎂合金和高強(qiáng)鋼等多種材料,理性、高效地設(shè)計(jì)客車(chē)骨架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。客車(chē)骨架多材料拓?fù)鋬?yōu)化之后,對(duì)最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸進(jìn)一步優(yōu)化,兩步優(yōu)化都考慮了彎曲、扭轉(zhuǎn)靜剛度與模態(tài)頻率約束。相對(duì)于單一材料拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化,該兩步優(yōu)化法可以獲得更輕量化、性能更好的客車(chē)骨架。采用序列線性規(guī)劃法求解以上兩步優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,由于序列線性規(guī)劃是梯度型算法,需要提供靈敏度信息,所以推導(dǎo)了彎扭靜剛度、模態(tài)頻率等客車(chē)骨架響應(yīng)關(guān)于截面尺寸、密度變量的解析靈敏度公式。根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容,基于Visual Studio軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),使用VB.NET語(yǔ)言開(kāi)發(fā)客車(chē)骨架優(yōu)化軟件模塊,實(shí)現(xiàn)“輕量化、高剛度、多材料”的客車(chē)骨架設(shè)計(jì)。然后使用本文自主開(kāi)發(fā)的軟件模塊對(duì)全承載式客車(chē)骨架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并校核了優(yōu)化后客車(chē)骨架的強(qiáng)度,從而驗(yàn)證了上述理論的合理性與軟件的可靠性。由于客車(chē)骨架接頭處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,梁?jiǎn)卧宇^處的應(yīng)力計(jì)算精度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值相比誤差高達(dá)40%,所以本文的優(yōu)化模型中暫未考慮強(qiáng)度約束。本文最后以矩形管梁?jiǎn)卧孛娉叽绺叨取挾�、厚度、外載荷為試驗(yàn)因素,設(shè)計(jì)大型全因子試驗(yàn)表,測(cè)試客車(chē)骨架常見(jiàn)3種接頭(T接頭、L接頭與l接頭)相交處的應(yīng)力集中系數(shù)。并采用2階多項(xiàng)式響應(yīng)面建立應(yīng)力集中系數(shù)關(guān)于截面尺寸的顯式表達(dá)式,用其更新鐵木辛柯(Timshenko)梁的名義應(yīng)力,得到修正的高精度梁?jiǎn)卧橄乱徊浇⒖蛙?chē)骨架各類(lèi)接頭處應(yīng)力集中系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)而將應(yīng)力強(qiáng)度約束加入客車(chē)骨架的優(yōu)化模型中奠定基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖 2.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域設(shè)計(jì)域劃分為n個(gè)單元，拓?fù)鋬?yōu)化變成一個(gè)組合問(wèn)題，決定每個(gè)有2n種可能性。如果把所有的可能性分析一遍，當(dāng)然可以得到最這種方法計(jì)算量太大，因此無(wú)法求解。為了使這個(gè)問(wèn)題可解，需要題轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量問(wèn)題，其關(guān)鍵是尋找表達(dá)離散材料設(shè)計(jì)變量的拓?fù)鋬?yōu)化，簡(jiǎn)單講就是多種材料的拓?fù)鋬?yōu)化，，經(jīng)典的拓?fù)鋬?yōu)化解域內(nèi)的最優(yōu)分布問(wèn)題，多材料拓?fù)鋬?yōu)化不僅解決了材料最優(yōu)分布了多種材料的匹配問(wèn)題。介紹經(jīng)典 SIMP 方法的基本理論，然后在經(jīng)典 SIMP 體系下研究序列 SIMP 插值方法。SIMP 法

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文料密度為設(shè)計(jì)變量，第e個(gè)單元的彈性模量eE 用該單元密度e 的冪函數(shù)來(lái) 0 min, , 1 1pe e e eE E 且 p (min 是最小非0密度，為了避免剛度矩陣奇異。 p 為懲罰因子，一般取為值曲線繪制于圖 2.2[56]，如果采用圖 2.2(a)的線性插值，那么最優(yōu)解中就中間密度，沒(méi)有與其對(duì)應(yīng)的真實(shí)材料。對(duì)于圖 2.2(b)中的中間密度，如果，彈性模量就會(huì)大幅增加；相反如果密度大幅降低，彈性模量卻只會(huì)小幅規(guī)律正好符合高剛度、輕質(zhì)量的要求，促使中間密度趨于0或者1，這正是化的精髓。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U463.831

【參考文獻(xiàn)】

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1 朱杰江;孫宇鳴;;基于序列線性規(guī)劃的空間鋼框架優(yōu)化[J];結(jié)構(gòu)工程師;2014年06期

2 那景新;高劍峰;;基于局部搜索和整體優(yōu)化的客車(chē)桿件截面參數(shù)正向設(shè)計(jì)[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2014年06期

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4 王鑫;戚其松;;有限元分析中應(yīng)力奇異問(wèn)題的處理[J];機(jī)械工程與自動(dòng)化;2014年03期

5 范子杰;桂良進(jìn);蘇瑞意;;汽車(chē)輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J];汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào);2014年01期

6 占金青;盧清華;張憲民;;多相材料的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J];中國(guó)機(jī)械工程;2013年20期

7 周偉;;基于拓?fù)鋬?yōu)化與靈敏度分析的客車(chē)車(chē)身輕量化研究[J];合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年04期

8 鄧本波;唐程光;;車(chē)身輕量化方法研究[J];客車(chē)技術(shù)與研究;2013年02期

9 丁煒琦;田程;范子杰;;基于代理模型的大客車(chē)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性多目標(biāo)優(yōu)化[J];汽車(chē)工程;2012年12期

10 田程;桂良進(jìn);范子杰;;采用序列響應(yīng)面法的大客車(chē)結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率優(yōu)化[J];汽車(chē)工程;2010年10期

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2 李瑞川;序列線性規(guī)劃移動(dòng)限搜索策略及結(jié)合輸入整形的PD控制研究[D];吉林大學(xué);2011年

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3 張慶軍;鋼鋁組合結(jié)構(gòu)的客車(chē)車(chē)身骨架輕量化研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2015年

4 張小東;應(yīng)力集中對(duì)焊接接頭疲勞性能影響的有限元分析[D];華東交通大學(xué);2012年

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6 張雁冰;全承載客車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)分析與研究[D];浙江大學(xué);2008年

7 湯穎穎;基于變密度法的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[D];長(zhǎng)安大學(xué);2008年

8 趙永輝;大客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[D];武漢理工大學(xué);2008年

9 胡浩;客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)靈敏度分析與拓?fù)鋬?yōu)化[D];華中科技大學(xué);2006年

10 王春會(huì);連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[D];西北工業(yè)大學(xué);2005年

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