学生姓名：范天奕

  班班级级：车辆2020-05班

  指导教师：胡洪斌

  毕设题目：基于CFRP构架的高速动车组转向架方案研究与设计 

一、概况

1.选题意义

纤维增强复合材料（CFRP）作为一种轻量化、高强度的材料，在动车组制造领域得到了广泛应用。转向架作为轨道交通车辆的关键承重组件，对机车的安全和平稳性运行具有重要的影响，转向架质量约占整车质量 40%，作为支撑列车车体，承受并传递车辆载荷，保证车辆平稳运行的关键部件，对其进行轻量化设计已成为一个发展趋势。碳纤维复合材料（CFRP）相较传统钢材料密度不及其 1/4，且比强度高、比模量大，具有更高疲劳强度、冲击强度以及更低的缺口敏感度和裂纹扩散速度等优点。将碳纤维复合材料应用到动车组车辆转向架上，对于车辆轻量化、节能性等方面都有非常重大的意义。

2.任务分解

第一阶段：研究背景和文献综述

（1）研究复合材料应用的背景、CFRP构架研究现状和发展趋势；

（2）搜集相关文献，综述复合材料建模和仿真分析方法及其失效准则；

（3）外文文献翻译。

第二阶段：理论研究及模型搭建

（1）系统学习复合材料力学知识，熟悉有限元软件的相关操作；

（2）利用solidworks建立几何模型，利用hypermesh软件进行构架复合材料的建模；

（3）撰写绪论部分。

第三阶段：构架的复合材料优化及强度分析

（1）利用OptiStruct 求解器在限定铺层角度下依次优化设计了复合材料铺层块、铺层数和铺层顺序，使得构架的结构在满足有关性能的要求下达到减轻重量的目的；

（2）对优化后的构架进行静强度分析；

（3）撰写第二，三章部分。

第四阶段：提出转向架设计方案

（1）根据构架的特性选择相匹配的悬挂系统和连接方式，使其满足刚度定位需求；

（2）对转向架模型进行整体评价；

（3）提交毕业论文终稿，完成相关A0图纸并完成毕业答辩。

二、已完成工作

1. 查阅和归纳整理有关复合材料方面的文献，了解复合材料在轨道交通方面国内外发展现状，掌握复合材料力学基础，完成了外文文献翻译工作以及论文绪论部分的撰写工作。

图1 文献翻译以及绪论撰写

2.学习hypermesh软件，掌握复合材料从铺层到层合板的建模过程，包括设置铺层厚度铺层角度和更改材料方向等。掌握复合材料铺层优化的方法，包括复合材料铺层块、铺层数和铺层顺序，并以建立的初始模型进行分析，初步结果为优化部分减重30%以上。

图2 构架的复合材料有限元模型

图3 优化后的复合材料模型以及迭代曲线

3.学习复合材料的失效准则，掌握复合材料模型的强度分析方法，对优化前后的有限元模型都进行了强度分析

图4 构架有限元分析结果

4.在文本撰写方面，完成了第一章绪论、第二章复合材料力学基础及有限元在复合材料中的应用、部分第三章 CFRP构架的设计与强度分析，累计文本多于10000字。

三、下一步安排

1.学习转向架设计的国家标准，根据构架的特性选择相匹配的悬挂系统和连接方式，使其满足刚度定位需求，并对转向架模型进行整体评价；

2.完善三维模型中的各种细节，使转向架完整且符合规范。而后用CAD软件进行工程图的绘制；

3.利用等效刚度方法评价转向架的动力学性能，探究CFRP材料带来的优势亦或是在实际使用中可能出现的问题；

4.撰写毕业论文，准备结题。

问题一：你在介绍中只说了碳纤维复合材料的优点，那可以说一下它的缺点是什么吗？

回答：首先碳纤维复合材料由长纤维组成，往往一体成型，对于损伤部分需要大范围更换，造成成本高昂；其次复合材料具有各向异性，在不同方向有不同刚度，和钢材相比偏小，会造成零件在载荷下变形较大。

问题二：碳纤维复合转向架一般有新的结构，有些地铁转向架甚至省略了一系悬挂，你在此处放了一张CRH380的转向架是什么意思？

回答：因为此设计的原型车就是CRH380，一系悬挂由于配合构架需要创新设计，这部分内容在中期之后完成，在最终答辩时会更新为新型设计结构。

我的毕设题目涉及到复合材料和车辆工程的前沿知识，对我来说很多是未知的领域，此外毕设中使用的hypermesh软件也是第一次接触，在胡老师和同组同学的帮助下我反复钻研，收获颇丰：

1.学习了复合材料力学。本科期间学习了材料力学，对复合材料力学形成一定基础，但对于层合板类的理论分析会提出全新的假设。我在浏览图书时掌握了相关公式的推导，并整理到毕业设计论文中。

2.掌握hypermesh软件的有限元分析方法与其在复合材料中的应用。在有些时间内学习一个软件普遍是困难的，并且该方面的教程少之又少，我只能在有限的示范案例中反复地尝试，对设计的模型也进行反复计算，繁琐的操作极大地锻炼了我的耐心。

3.对转向架的结构认识更加深刻了。本科课程和实习虽然都接触到了转向架的组成和原理，但自己动手设计是第一次，对于各种创新的想法需要经过各种标准的检验，分析才能变为实际可生产的，在此过程中我经常和老师探讨，虽然打消了不少天马行空的想法，但在构造出一个可行方案的时刻仍是很有成就感。

总之遇到问题解决问题，从中学到的方法能应用于新难题，就说明自己在进步。