城市轨道交通低地板有轨电车弹性车轮优化设计与疲劳寿命研究

摘要

弹性车轮是城市轨道交通低地板有轨电车的重要组成部分，为了提高弹性车轮服役疲劳寿命，该文基于撕裂能理论，应用ABAQUS、FE-safe和Isight软件，对弹性车轮橡胶元件进行有限元建模、优化设计和疲劳寿命研究.首先，基于裂纹能量理论，研究了橡胶材料的疲劳特性，建立弹性车轮橡胶元件有限元模型并进行数值模拟计算，结果表明弹性车轮的刚度和疲劳寿命均未达到设计要求.其次，基于正交数值试验和Sobol模型，提出了一种改进的灵敏度分析方法，以最小应变为优化目标，选用改进灵敏度分析方法确定的结构参数为设计变量，建立二阶响应面模型，采用自适应多岛遗传算法对刚度约束条件下的弹性车轮橡胶元件进行单目标多因素优化设计，并对优化弹性车轮进行有限元数值模拟分析，结果表明优化弹性车轮结构的疲劳寿命比原弹性车轮结构提高了30%,优化弹性车轮的刚度和疲劳寿命均满足设计要求.最后，对优化弹性车轮分别进行径向加载试验和疲劳试验，结果表明有限元计算刚度曲线与试验刚度曲线吻合，且经历设计疲劳周次载荷循环的优化弹性车轮，其结构保持完整，验证了有限元模型和疲劳寿命数值模拟的有效性.

关键词

弹性车轮 / 优化设计 / 疲劳寿命 / 敏度分析 / 有限元

基金资助

国家自然科学基金(52175255); 湖南省高层次人才聚集项目(2019RS1059); 湖南省研究生科研创新项目(CX20200648)