1. 研究目的与意义（文献综述）

高速铁路以其独特的技术经济优势：速度快、安全性好、能耗低、正点率高、舒适方便等成为我国重要的交通运输方式^[1]。高速铁路快速发展带来诸多便利的同时也产生很多新的问题，随着高速列车运行速度的提高，其重要的承载结构车体将承受更为复杂的载荷作用。首先，高速列车进出隧道时车体周围压为波动会显著増大，因此需提高车体结构刚度；其次，为实现高铁的高速化和现代化，在车体上新増控制、显示器等设备，増加了车体的承载质量；然后，高速列车运行速度的提高将导致轮轨间作用力加剧，其车体承受的动载荷将更为严重，而高速列车单位重量需要的功率与质量和速度的増加呈非线性増加的关系^[2]。因此，研究如何在不减少车体刚度和强度等静态性能和固有频率等动态特性的基础上对高速列车车体结构进行优化以实现质量减轻是目前高速列车研究中最为重要的课题之一。

目前对于车体结构轻量化优化设计研究主要通过以下两个途径：一、从车体所用材料的角度，在特定部位采用轻质和复合材料，减少高密度材料的使用，达到减轻车体质量的目标。二、从车体结构设计的角度考虑，对既有材料的车体结构进行优化设计，利用合适的优化平台和优化算法对不同的结构参数进行优化，得到最优的设计方案。目前对于高速列车车体结构材料主要侧重于低密度的镁合金材料和碳纤维等复合材料夹层结构可实现车体质量的大幅减少，为高速列车的理想材料^[3]。在结构设计中主要侧重利用拓扑和形状优化实现车体结构的合理布局，在此基础上使用尺寸优化实现车体结构各部件的尺寸参数，达到轻量化的目的。

本课题以某一高速列车中间车车体结构作为研究对象，运用有限元分析技术得到此车身的基本参数数据。基于结构优化设计方法，最大限度地对车体结构进行优化设计，以达到降低车架质量的目的。轻量化设计后在合适的车体计算工况下利用有限元软件进行车体静强度和刚度计算分析，并与优化前的车身性能进行比较，对优化设计进行评价。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究基本内容

（1）选定某一高铁中部车体白车身，收集相关资料与数据，运用相关软件建立车架CAD三维模型。

（2）建立车体有限元模型，对车体常用标准进行对比分析，确定合适的载荷工况。选取其中较为典型的载荷工况进行车体静强度和刚度的详细分析，得出车身初始的性能参数。

（3）建立车体优化中的约束条件和目标函数，确定优化分析工况。对车体初始设计变量进行质量、应力、变形和频率的灵敏度分析，根据分析结果选择车体优化中的设计变量。

（4）对优化后的车体结构进行静强度、刚度和自由模态分析，对比优化前后车体结构的计算结果评价优化算法。

2.2 研究基本目标

依据常用标准对车体进行强度、刚度和模态等性能分析，确定进行优化的典型载荷。基于性能分析和部件的灵敏度分析，选择合适的部件板厚作为设计变量、车体强度、刚度和固有频率等性能作为约束条件、车体质量最小作为目标函数，利用软件中不同的优化算法对车体进行结构优化计算，并对优化后的车体模型进行能比较以评定优化算法。

2.3 拟采用的技术方案

（1）有限元分析技术：利用有限元分析仿真方法得到车架的静态刚度数据与模态分析数据，为优化设计与验证提供依据。

（2）优化设计技术：优化设计就是将原有系统构造成为带有设计变量的一般数学模型，再通过设计变量的选取，实现设计要求，并且满足设计中所受到的约束。在数学上就是设计构造成为一个约束非线性规划的问题。

3. 研究计划与安排

周次	工作内容	提交内容
1,2	方案构思，文献检索，完成开题报告	文献检索、开题报告
3	外文翻译，资料收集	外文翻译
4	选定一款电动汽车车型，收集相关资料与数据，利用CATIA对车架进行建模	车身CATIA模型
5	将CATIA模型导入ANSYS，对车架进行静态刚度分析与自由模态分析	车身模型基本参数
6,7	从结构优化和材料优化两方面制定车架轻量化设计方案	轻量化设计方案及结果
8	对轻量化车架进行有限元分析仿真，验证轻量化成功与否	轻量化分析结果与验证
9	编写设计说明书	说明书初稿
10	图样绘制	图纸初稿
11,12,13	图样及设计计算说明书整理，资料袋整理，答辩资格审查。	说明书，图纸
14	学生提出答辩申请，并作答辩准备;教师审阅图纸，说明书
15,16	参加答辩，推荐省优

4. 参考文献（12篇以上）

[1]付贵鑫.200km7h交流传动机车车体轻量化优化设计[d]．北京交通大学硕士学位论文，2008．

[2]王踰．基于hyperworks的电力机车车体轻量化研究[d]．西南交通大学硕±学位论文，2015．

[3]王慧玲．高速铁路客车铅合金车体的研究[d]．大连铁道学院硕士学位论文，2003．