轨道车辆用抗侧滚扭杆结构轻量化优化设计与疲劳寿命研究

摘要

【目的】针对轨道车辆用抗侧滚扭杆结构在提升抗侧滚刚度和行车安全性的同时导致重量增加的问题，开展扭杆结构的轻量化优化设计研究，以期在满足强度与刚度要求的前提下降低结构的重量.【方法】基于德国机械工程研究委员会(FKM)标准，采用有限元方法进行扭杆结构的轻量化优化设计.首先，应用Creo和HyperMesh软件构建抗侧滚扭杆结构有限元模型，然后通过ABAQUS对其静强度、抗侧滚刚度和疲劳强度进行数值模拟.其次，采用正交数值试验方法，考察扭杆结构几何参数对抗侧滚刚度和强度因子(FOS)的影响；以结构几何参数为变量，FOS值为目标函数，建立二阶响应面模型，并利用Isight软件和多岛遗传算法，对刚度约束下的扭杆结构进行单目标多因素优化设计.最后，在极限载荷和不同循环载荷条件下，对抗侧滚扭杆结构分别进行静态和动态试验，以验证优化扭杆结构的强度和寿命.【结果】正交试验表明，扭杆结构几何参数对其刚度与FOS值有显著影响；优化扭杆结构的重量减轻了20.89%,而其静、动强度以及抗侧滚刚度符合设计标准；静强度与动强度试验验证表明，计算刚度与试验结果吻合，优化扭杆结构服役寿命满足设计要求.【结论】基于FKM标准和有限元方法的轻量化优化设计有效降低了抗侧滚扭杆结构重量，同时保证了其力学性能与服役寿命，为轨道车辆轻量化设计提供了可行方案.

关键词

抗侧滚扭杆 / 优化设计 / 疲劳寿命 / 轻量化 / 有限元