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基于拓扑和稳健设计的客车车架轻量化研究

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车架作为城市客车的重要结构部件之一，其轻量化设计直接影响车辆的整体性能。车架结构设计涉及因素较多，动态响应复杂，在实现车架轻量化的同时，还需提升整体性能的可靠性与稳健性。本文以某款混合动力城市客车为研究对象，首先建立混合动力客车的多体系统动力整车模型，提取客车不同工况下车架关键点的动态峰值力载荷，将动态峰值力作为后续车架结构分析的载荷工况，在此基础上对客车车架进行拓扑优化设计，优化车架材料布局，融合灵敏度分析、试验设计、近似模型与6σ稳健设计于一体对客车车架进行轻量化设计。本文主要研究内容如下： （1）基于某款混合动力客车的结构参数，在多体系统动力学软件中建立客车的整车模型，得到客车车架关键节点的动载系数。分析表明城市客车的过减速带工况为最危险工况，其次为满载弯曲工况和转弯工况。在客车车架关键点提取的各工况动态峰值力作为后续车架有限元分析的载荷边界条件。 （2）建立客车车架拓扑优化数学模型，综合考虑车架的满载弯曲和转弯组合工况，对车架进行多目标拓扑优化设计，获得车架最佳材料分布方案，重构车架几何模型，并对车架进行基于近似模型的确定性优化设计。 （3）对客车车架的五个工况的确定性优化结果进行可靠性校核，可知客车车架在满载弯曲工况、转弯工况与过减速带工况时受到的最大应力的可靠度小于1.00。对车架进行稳健优化设计，结果获得在转弯工况、过减速带工况与满载弯曲工况下优化后车架总质量分别减轻了163kg、116kg与84.96kg，减幅分别达到16.48%、11.73%与8.59%。 （4）对客车车架进行全工况稳健性优化设计。全工况优化后的客车车架总质量减轻了124kg，减幅达12.54%，并对优化后的客车车架的强度、刚度、模态以及车架性能的稳健性进行校核。优化后的车架最大应力为246MPa，安全系数为1.4，最大变形为55mm，车架的强度、刚度均满足设计要求；客车车架的前八阶固有频率均大于客车发动机的怠速频率27Hz与地面随机频率20Hz，避免了车架的共振问题，全工况优化后的车架满足动力学要求。基于全工况条件下的客车车架稳健设计为客车结构的轻量化设计提供了新思路和方法。

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