數(shù)學(xué)建模量化分析精選(九篇)

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第1篇：數(shù)學(xué)建模量化分析范文

A

Structure design optimization of rolled steel solid wheels forheavyhaul freight car based on feature modeling

SHANG Yuejin

(School of Mechatronic Eng., Lanzhou Jiaotong Univ., Lanzhou 730070, China)

Abstract： To lighten the mass and improve the life of wheels for heavyhaul freight car, the design optimization of rolled steel solid wheels is completed for heavyhaul freight car by combining the traditional design optimization method and parameter feature modeling method with the finite element method. Taken the lightweight of wheel as an objective, the design optimization model of rolled steel solid wheels is established with the design variables which are obtained by feature modeling method and the constraint conditions of wheel strength and structural stiffness which are obtained by finite element analysis. The geometric dimensions of wheel arm are given for finite element analysis by design optimization and parametrization feature modeling, and the optimized wheel stress is analyzed and judged by finite element analysis. According to “GB 8601―1988 rolled steel solid wheels for railway”, general CAD/CAE softwares are used to build a 3D model of rolled steel solid wheel for heavyhaul freight car and perform design optimization. The result turns out to be effective.Key words： heavyhaul freight car; rolled steel solid wheel; feature modeling; design optimization; finite element analysis

な嶄迦掌冢2010[KG*9〗07[KG*9〗08 修回日期：2010[KG*9〗09[KG*9〗17せ金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)基金(2008GS02607)；甘肅省高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(20994)；甘肅省高等學(xué)校導(dǎo)師基金(090406)ぷ髡嘸蚪椋 商躍進(jìn)(1969―)，男，河北南皮人，教授，碩士，研究方向?yàn)檐壍儡?chē)輛零部件疲勞可靠性分析及CAD/CAE，(Email)0 引 言

車(chē)輪是機(jī)車(chē)車(chē)輛的關(guān)鍵零件之一，以往主要采用靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，即根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，而后進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，校核所作設(shè)計(jì)的安全性.隨著鐵路運(yùn)輸向高速重載方向的發(fā)展，車(chē)輪在滿(mǎn)足使用要求的基礎(chǔ)上，減輕質(zhì)量、提高壽命是迫切需要解決的重要問(wèn)題之一.不僅要求車(chē)輪結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)膭偠龋瑫r(shí)要求質(zhì)量最輕，即在多種因素約束下尋求車(chē)輪質(zhì)量最輕的問(wèn)題.李善坡等

［1］進(jìn)行二維連續(xù)體結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化；劉會(huì)英

［2］利用大連理工大學(xué)編制的MSCAD軟件進(jìn)行客車(chē)車(chē)輪軸對(duì)稱(chēng)模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化；米彩盈等

［3］、丁輝

［4］和劉會(huì)英等

［5］分析和探討車(chē)輪強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法；王宏林等

［6］、鐘斌等

［7］和孫永鵬

［8］分析車(chē)輪應(yīng)力的計(jì)算方法.由于車(chē)輪外觀(guān)形狀的不規(guī)則性，本文將常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與參數(shù)化特征造型和有限元分析結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行重載貨車(chē)車(chē)輪設(shè)計(jì)優(yōu)化，即設(shè)計(jì)優(yōu)化和參數(shù)化特征造型主要為有限元分析提供輪輻的幾何尺寸，有限元分析負(fù)責(zé)優(yōu)化后的車(chē)輪網(wǎng)格重新劃分，并進(jìn)行應(yīng)力分析，判斷優(yōu)化后車(chē)輪應(yīng)力是否得到改

善等.1 車(chē)輪設(shè)計(jì)優(yōu)化原理

設(shè)計(jì)優(yōu)化即確定設(shè)計(jì)變量Xi(i=1，2，…，n)的最優(yōu)值Xi*，使得在滿(mǎn)足約束條件gj(Xi*)時(shí)目標(biāo)函數(shù)f(Xi*)為最優(yōu)值.設(shè)計(jì)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型Иおmin f(Xi)おs.t. gj(Xi)≤0， j=1,2,…,mX

il≤Xi≤X

iu， i=1,2，…n(1)お式中：f(Xi)為目標(biāo)函數(shù)；gj(Xi)為約束條件；Xi為設(shè)計(jì)變量向量；X

il與X

iu分別為Xi的下界值和上界值.1.1 車(chē)輪設(shè)計(jì)變量的確定だ用CAD與CAE相結(jié)合的方法進(jìn)行強(qiáng)度分析具有較好的可行性.

［9］根據(jù)運(yùn)用要求，車(chē)輪輪徑、輪輞寬度和輪轂孔長(zhǎng)度等主要外型尺寸應(yīng)該與現(xiàn)有的車(chē)輪相同.因此，需設(shè)計(jì)優(yōu)化的尺寸是輪輞厚度、輪轂厚度和輻板形狀等9個(gè)設(shè)計(jì)變量，見(jiàn)圖1.將優(yōu)化變量寫(xiě)成矩陣形式：X=［E，D1，D3，R

R3］.同時(shí)，為確保在優(yōu)化過(guò)程中模型的穩(wěn)定性，需在輻板邊線(xiàn)之間添加相切和平行等幾何關(guān)系進(jìn)行約束，使車(chē)輪輻板草圖達(dá)到完全定義.圖 1 車(chē)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,mm1.2 目標(biāo)函數(shù)的確定ひ話(huà)憷此擔(dān)常用的目標(biāo)函數(shù)有體積最小和質(zhì)量最輕等

［1］，本文選取車(chē)輪質(zhì)量最輕為目標(biāo)函數(shù)，即

m=f(Xi).由于車(chē)輪輪輻外形極不規(guī)則，很難建立起輪輻的外形尺寸參數(shù)與質(zhì)量的關(guān)系式，可使用SolidWorks的質(zhì)量特性計(jì)算功能建立二者間的關(guān)系.1.3 約束條件的建立の使設(shè)計(jì)的車(chē)輪具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠龋瑢?yīng)力和變形作為優(yōu)化約束條件，都使用有限元分析確定.另外，還包括車(chē)輪的幾何尺寸約束.1.3.1 載荷工況ぴ誦泄程中，軌道對(duì)車(chē)輪徑向和橫向作用力、ね 2 車(chē)輪載荷すた觶mm制動(dòng)過(guò)程中閘瓦對(duì)車(chē)輪的摩擦熱負(fù)荷等均對(duì)車(chē)輪的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響.參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AAR S6602007

［10］，選取3種計(jì)算工況分析和評(píng)定車(chē)輪強(qiáng)度.工況I：直線(xiàn)運(yùn)行工況，載荷為R；工況II：曲線(xiàn)運(yùn)行工況，載荷為R和Y；工況III：直線(xiàn)制動(dòng)工況，載荷為R和制動(dòng)熱負(fù)荷.載荷作用位置見(jiàn)圖2.1.3.2 應(yīng)力和變形約束由于車(chē)輪屬于3向應(yīng)力狀態(tài)，為使車(chē)輪滿(mǎn)足使用要求，車(chē)輪各關(guān)鍵點(diǎn)的von Mises等效應(yīng)力應(yīng)小于車(chē)輪的靜強(qiáng)度許用應(yīng)力值.

車(chē)輪在上述載荷工況下所承受的應(yīng)力均呈3向交變應(yīng)力狀態(tài).對(duì)于多向應(yīng)力狀態(tài)問(wèn)題，目前還沒(méi)有權(quán)威的當(dāng)量疲勞應(yīng)力計(jì)算方法

［3，5，11］.文獻(xiàn)［5］指出，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋的方向與最大主應(yīng)力方向相垂直.據(jù)此可將3向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為單向應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)的當(dāng)量應(yīng)力以進(jìn)行車(chē)輪疲勞強(qiáng)度的

評(píng)定.

一般要求車(chē)輪徑向剛度適當(dāng)小些，本文計(jì)算限制工況I下最大徑向壓縮變形值|U

max|>0.25 mm.2 車(chē)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

COSMOSWorks是完全整合在SolidWorks 中的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，提供壓力、頻率、約束、傳熱和優(yōu)化分析.其優(yōu)化分析模塊的求解流程為:首先在SolidWorks環(huán)境下創(chuàng)建車(chē)輪的實(shí)體模型，然后在COSMOSWorks中完成3個(gè)工況下的應(yīng)力和變形分析分析，最后選擇優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)計(jì)變量和約束變量并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算.2.1 初始形狀的建立こ德值撓嘔設(shè)計(jì)屬于形狀優(yōu)化.對(duì)于某些形狀優(yōu)化問(wèn)題，其最優(yōu)解與初始形狀的選取有很大關(guān)系，選取不當(dāng)可能得不到最佳設(shè)計(jì)，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，參照GB 8601―1988鐵路用輾鋼整體車(chē)輪設(shè)定初始形狀，具體參數(shù)化模型形狀見(jiàn)圖3.ね 3 車(chē)輪初始形狀，mm 圖 4 車(chē)輪初始形狀的ざ廈嬙格2.2 有限元計(jì)算模型そ車(chē)輪劃分成8 812個(gè)單元，15 284個(gè)節(jié)點(diǎn)，初始形狀的斷面網(wǎng)格見(jiàn)圖4.在優(yōu)化的每次迭代中，網(wǎng)格均以這種分布規(guī)律重新劃分.彈性模量為2.06×10

11 Pa，泊松比為0.31，密度為

7 800 kg/m3.2.3 優(yōu)化結(jié)果分析げ捎蒙鮮瞿P停在靜力分析和熱分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化后的車(chē)輪型式尺寸見(jiàn)圖5.初始形狀與優(yōu)化后的形狀比較見(jiàn)圖6.ね 5 優(yōu)化后的車(chē)輪型式こ嘰紓mm圖 6 優(yōu)化前后車(chē)輪形狀比較び嘔前后應(yīng)力和剛度見(jiàn)表1.優(yōu)化前車(chē)輪質(zhì)量為325.2 kg，優(yōu)化后車(chē)輪質(zhì)量為304.5 kg，車(chē)輪質(zhì)量減輕20.7 kg，占優(yōu)化前車(chē)輪質(zhì)量6.4%，表明優(yōu)化后的車(chē)輪較初始形狀質(zhì)量減輕6.4%，而最大應(yīng)力在3種工況下相當(dāng)，徑向剛度則明顯降低，達(dá)到對(duì)車(chē)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的.け 1 優(yōu)化前后應(yīng)力和剛度狀態(tài)工況I工況II工況III應(yīng)力/MPa徑向變形/mm應(yīng)力/MPa徑向變形/mm應(yīng)力/MPa徑向變形/mm徑向剛度/(kN/mm)質(zhì)量/kg優(yōu)化前102.20.28156.60.292500.61892.9325.2優(yōu)化后106.70.33175.60.35248.20.64757.5304.5注：徑向剛度指滾動(dòng)圓處產(chǎn)生單位位移時(shí)在該處需施加的載荷.3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)結(jié)果表明本文的輾鋼整體車(chē)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)采用通用的參數(shù)化特征造型方法，使車(chē)輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化變量大幅度減少，極大地提高分析速度；