【机情无限 精彩毕设】机械2026届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第三十二期——C80型敞车转向架轻量化设计与结构强度分析
学生姓名：陈馨羽
班 级：车辆2022-06班
指导教师：牛纪强
毕设题目：C80型敞车转向架轻量化设计与结构强度分析
一、概况
1.选题意义
（1）降低铁路能耗，推进绿色发展
当今全球环境正面临着巨大的挑战，温室效应加剧、自然资源枯竭成为了全人类不得不面对并解决的难题。而我国作为第二大碳排放国，如何减少碳排放量、实现可持续发展已迫在眉睫。在此背景下，以习近平同志为核心的党中央创造性地提出了一系列新理念新思想新战略，形成了习近平生态文明思想。为认真贯彻落实习近平生态文明思想，积极稳妥推进碳达峰碳中和目标任务，国家铁路局等印发了《推动铁路行业低碳发展实施方案》。该方案将控制源头排放和节约能源放在首位，要求持续降低铁路运输设备等的能源消耗和碳排放强度。
（2）提高运输效率，降低运煤成本
如今，由于人们对铁路货物高效运输要求的不断提高，货运重载列车的运量逐渐增大。而煤矿作为目前电力行业仍在依赖的主要能源，其运输多使用铁路货运以提高效率并降低成本。大秦线作为连接山西大同和河北秦皇岛的“西煤东运”核心通道，采用了载重80吨的C80型专用敞车。该敞车（以C80为例 ）自重约20吨，载重80吨，满载总重高达约100吨[1]，因此其轻量化设计能够极大程度地降低铁路货运能耗并且进一步降低运煤成本。由于货车转向架自重车辆自重中一般占比较大，而转向架簧下重量在转向架自重中占比较高，故敞车轻量化的关键在于转向架轻量化，特别是降低簧下质量。该质量的减少不仅可以降低转向架的总重，还可以很大程度地减少轮轨冲击力，进一步提高车辆运行平稳性和安全性。同时，此设计也可为将来更高效、更环保的铁路车辆设计提供有力支持。
2.任务分解
（1）文献调研
查阅与C80型敞车转向架具体结构有关的文献，充分了解已有的C80型敞车转向架的两种结构类型（多数基本型号使用转K5、转K6）以及具体结构，对比分析其特点，找出最新类型较最初结构的优化部分。查阅国内外与转向架轻量化设计有关的文献，整合出目前广泛使用的转向架轻量化方法。
（2）结构分析
根据之前查找到的与C80型敞车转向架的结构类型有关的文献，分别找出其簧上和簧下质量较大且体积较大的部件如摇枕、侧架、车轮，通过SolidWorks软件对初始转向架的此些零部件进行建模。
（3）软件学习
进一步学习有限元分析软件如ANSYS Workbench，熟悉其建立有限元模型以及利用其进行强度分析的方法，充分了解其各个功能板块的作用。学习参数优化软件Isight，学习如何利用算法寻找最优解。
（4）强度分析
主要根据车轮、侧架、摇枕的相关工况标准，利用ANSYS Workbench进行网格划分，开展对初始结构的静强度分析，并关注分析结果与已知研究结果的差距如最大应力值。
（5）方案制定
根据初始结构的应力分析结果确定轻量化设计中的设计变量，通过改变设计变量以及对改变后的模型再进行静强度分析从而确定设计变量的上下限值。
（6）数据分析
通过第五部分得出的数据在Isight中进行数据分析，通过代理模型和优化算法确定出面向转向架轻量化的最优结构参数组合，并通过对最优参数的有限元建模来对此结果进行验证。
（7）结果提交
在最终确定转向架各结构参数后，绘制转向架装配图和重要零部件图如侧架、摇枕、车轮等，并且完成毕业设计说明书。
二、已完成工作
到目前为止，本设计已完成了大约70%的工作量，主要包括了部分文献调研、英文文献翻译、说明书绪论部分的初步撰写、轻量化部件（包括车轮、侧架和摇枕）初始结构的大致三维建模、轻量化部件初始结构的有限元分析、优化样本集和测试集的数据生成与完善、初步的优化结果。
1.完成了文献翻译工作
在本校图书馆网站提供的外网平台上查找了与转向架轻量化有关的文献，最终确定翻译对于仿真部分描述较为详细的英国与意大利学者所撰写的《轻质复合铁路车轴设计的结构分析》。该文章主要描述了一种新制的轻质复合轴，其采用了混合金属-复合材料（HMC），使其质量远小于同类的空心钢轴。本文从有限元分析入手，详细阐述了此轴的有限元模型、载荷条件、边界条件以及在进行有限元分析时的假设。之后又对其具体结构进行了描述，包括金属套圈、主复合管、次级复合管的设计和受力分析。其有限元的建模和假设方法对毕业设计的有限元分析部分有一定的参考价值。
图1.《轻质复合铁路车轴设计的结构分析》的部分原文
图2.《轻质复合铁路车轴设计的结构分析》的部分翻译
2.完成了说明书绪论部分的初步撰写
结合开题报告的相关内容，完成了绪论部分的引言、国内外现状以及本文研究的主要内容部分的初步撰写。
图3.毕业设计说明书的部分绪论
3.完成了初始模型的大致三维建模
通过Solidworks完成了转向架（主要基于转K6）中车轮、车轴、侧架、摇枕初始模型的大致建模。其中车轮采用HESA型轮，车轴采用RE2A 型轴。侧架与摇枕的关键参数如涉及到转向架轴距和轴颈中心距按照转K6型转向架进行建模，其余部分参数和内部结构由于查找到的转K6资料较少且转K6与转K2的侧架、摇枕结构相差不大，因此在外形大致贴近转K6的同时参考了转K2的部分结构。
图4.转K6摇枕大致模型
4.完成了初始模型的有限元建模与分析
学习了ANSYS Workbench的基本使用方法，包括网格划分、载荷施加、约束的施加等。通过ANSYS Workbench根据车轮、侧架和摇枕的工况完成了其静强度的有限元计算。
车轮材料为CL60，其工况参考TB/T 3463——2016。由于转K6型转向架为踏面制动，因此共有直线、曲线、道岔、制动热载荷、直线制动、曲线制动六个工况。考虑到整体的工作量与直线、曲线和道岔工况更为通用，最终对初始模型的直线、曲线和道岔工况进行了有限元分析。
载荷施加采用节点力的近似方式，约束轴两截面的三个方向的位移，最终得到其三种工况下辐板处的最大应力均小于许用标准350MPa，且与标准后的HESA型车轮的有限元分析实例所得数据和最大应力出现位置相差较小（数据相差小于5%），因此可认为此分析正确。
图5.初始车轮有限元模型网格划分
侧架材料为B+级钢，其工况参考TB/T 3549.2——2021。模拟其真实载荷作用方式，在弹簧承载台面上施加垂向力，在两侧架立柱上施加横向力，通过位移和远程位移使其约束均尽量贴近标准所述。得到其最大应力小于B+级钢的许用应力151MPa。
图6.TB/T 3549.2——2021侧架静强度工况
图7.初始侧架Von-Mises应力云图
摇枕材料为B+级钢，其工况同样参考TB/T 3549.2——2021。模拟其真实载荷作用方式，在心盘面上施加垂向力，在摇枕侧面上施加横向力，通过位移和远程位移其约束均尽量贴近标准所述。得到其最大应力小于B+级钢的许用应力151MPa。
图8.摇枕静强度工况
图9.TB/T 3549.2——2021初始摇枕Von-Mises应力云图
5.确定设计变量
通过初始的应力分布确定了设计变量共6个，包括车轮靠近轮毂处的辐板厚度（X1）、车轮靠近轮辋处的辐板厚度（X2）、侧架上盖板厚度（X3）、侧架侧板厚度（X4）、摇枕底腹板厚度（X5）和摇枕横向筋板厚度（X6）。通过改变这6个设计变量，大致确定了其各自的设计下限。
车轮由于辐板所占体积较大且上述分析着重关注辐板处的应力状况，因此选取辐板处的两个厚度尺寸作为设计变量。虽然辐板处的初始最大应力与标准相差较大，但考虑到辐板的整体结构应保持不变，即辐板靠近轮毂的厚度应当大于辐板靠近轮辋处的厚度，且由于本设计仅考虑了静强度的最大应力应给其他与车轮使用安全性有关的因素预留足够的空间，最终选定车轮处两设计变量的尺寸下限分别为22mm（车轮靠近轮毂处的辐板厚度，初始为26mm）和16mm（车轮靠近轮辋处的辐板厚度，初始为20mm）。
图10.下限尺寸时的车轮道岔工况辐板和轮辋处Von-Mises应力云图
侧架由于其上盖板和侧面两板的应力较小的范围较大，因此选择此二者的厚度作为设计变量。
图11.初始侧架侧面板内侧Von-Mises应力云图
同样为给其他与安全性有关的因素预留足够的空间并且经质量计算其减重效果也较为明显，最终选定侧架两处的设计变量的尺寸下限为14mm（侧架上盖板厚度，初始为20mm）和14mm（侧架侧面两板厚度，初始为20mm）。
图12.下限尺寸时的侧架Von-Mises应力云图
摇枕由于其底腹板和两横向筋板应力较小的范围较大，因此选择此二者的厚度作为设计变量。
图13.初始摇枕横向筋板内侧Von-Mises应力云图
同样为给其他与安全性有关的因素预留足够的空间并且经质量计算其减重效果也较为明显，最终选定摇枕两处的设计变量的尺寸下限为35mm（摇枕底腹板厚度，初始为45mm）和16mm（摇枕横向筋板厚度，初始为20mm）。
图14.下限尺寸时的摇枕Von-Mises应力云图
6.完成了参数最优解的初步求取
学习了Isight的基本使用方法，包括样本参数的生成、模型准确率的评估、最优解算法的选择等。确定了在Isight中的输入变量，即为上述的6个设计变量（X1-X6，单位为毫米）；确定了在Isight中的输出变量（Y1-Y4，Y4单位为吨，其他三个为兆帕），即为车轮、侧架、摇枕的最大应力和质量（Y4）（包括四个车轮、两个侧架与一个摇枕）。其中，由于车轮道岔工况的最大应力最大，因此选择了道岔工况的最大应力（Y1）；侧架的最大应力随着模型的变换存在非对称的移位，导致其规律不显著，因此选取了其两侧板加上盖板部分的最大应力（Y2）进行代替；摇枕由于其最大应力存处在面积较小，存在应力过于集中的现象，可能是其规律也不显著的诱因，因此选取其除去该部分的其余部分的最大应力（Y3）进行代替（摇枕两端应力较小因此仅保留了中间部分）。
图15.摇枕除去最大应力点后Von-Mises应力云图
采取了最优拉丁超立方抽样方法，其可使得每个设计变量的取值范围等分为与样本点数量相同的区间，再通过优化算法让样本点在整个n维设计空间中均匀、分散地分布。考虑到总体工作量和由设计变量数决定的最小理论样本为28个，最终选取了作为样本集的30组输入数据，并通过三维建模和有限元建模分析得到了其对应的30组输出数据，之后合并得到了样本集。
图16.通过模型变换补全的30组样本集
选取了“Approximation”作为根组件，采用Kriging模型，为后续多目标优化提供模型基础。选取了五组整数输入数据以及其对应的输出数据作为测试集，完成了对优化模型的测试。测试结果除侧架之外其R方值大约为0.7，虽然未达到0.9，但由于考虑到整体工作量导致其样本集仅有30组数据，因此该模型预测可信度可大致接受。
创建优化组件，通过多目标优化领域的经典算法，即NSGA-Ⅱ算法，并在对四个输出参数均取最小值的同时对质量参数加以更大的权重，最终得到了最优参数组合。
通过对最优参数组合进行建模以及有限元静强度分析，最后的应力和质量结果（计算质量为3.26163015t）与预测值相对误差的绝对值均小于5%，并且最大应力均未超限，可以接受。
图17.最优参数的摇枕Von-Mises应力云图
最终减重约221.66kg，较整体转向架（约5t）减重约4.43%。
三、下一步工作计划
1.进一步细化侧架与摇枕的结构（预计3天）
在之前的建模中有部分对静强度计算影响较小的结构进行了省略或简化，例如侧架弹簧承载台面、摇枕上的心盘结构。细化侧架的不对称结构，例如一侧有制动梁滑槽而另一侧无；细化侧架的细节结构如弹簧止挡。细化摇枕的细节结构如圆脐。
2.完成转K6型转向架的装配体建模（预计10天）
继续构建转K6转向架的其余零部件，如交叉支撑装置、弹簧减振装置、基础制动装置，尽可能详尽地构建转向架装配体的各个部分，并完成装配。
3.完成不少于两张A0图纸的出图（预计5天）
目前计划出一张转向架装配体的A1工程图，出六张A2的零件或简单装配体图，主要包括侧架、摇枕、车轮、轮对组成、交叉支撑装置、基础制动装置。且工程图的标题栏格式应按照毕业设计要求进行绘制。
4.完成毕业设计说明书的撰写（预计14天）
总结之前的工作，按照设计思路和说明书的具体格式要求完成说明书的撰写。将涉及到的计算公式整理至文档中，将样本集与测试集数据整理到文档的表格中，使说明书图文并茂、格式清晰。
问题一：如何验证最终设计的强度是否符合要求？
回答：通过对最终优化得到的参数进行三维建模和有限元分析，按照其各自的相关标准如车轮参考TB/T 3463——2016、侧架参考和摇枕参考TB/T 3549.2——2021对其是否合格进行判断，即判断其等效最大应力是否超限。
问题二：如何验证参数优化时的优化算法是否合适？
回答：查看算法预测的质量相比原始是否有较大程度的减重，并通过将优化算法预测的质量、最大应力和实际建模得到的质量、最大应力进行对比，若其相对误差均小于5%则可在一定程度上认为此算法合适。
通过此次的毕业设计题目，我对于转向架的结构、静强度分析的流程以及参数优化的方法都有了更进一步的认识。首先，通过查阅与转向架相关的资料，我对于货车转向架尤其是三大件式转向架的具体结构，主要包括侧架与摇枕，有了一定的了解，为后续对其部分结构进行轻量化工作打下了基础。通过对ANSYS Workbench的学习，我巩固了有限元的分析方法与静强度校核的方式，即通过划分网格、按工况施加约束、按工况施加载荷最后便可得到其等效的应力云图。通过应力云图可得知其最大应力与最大应力出现的位置，也可直观地找出应力较小的部分进行设计。通过对参数优化软件的学习，我了解到了一些经典的代理模型以及优化算法，并且也在使用的过程中体会到了其优点。而在优化算法的验证阶段，我深刻地认识到了检查与验证在设计中的必要性。通过已完成工作的训练，我对于优化设计的整体流程有了更清晰的认知，也为未来的学习提供了更多的知识储备；通过答辩与回答问题，我也锻炼了总结与表达能力，能够在答辩时思路清晰地回答老师提出的问题并及时记录自己的不足之处。