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Two-stage optimization strategy for carbody modal performance and lightweight design

情态动词 结构工程 分类 还原(数学) 工程类 有限元法 拓扑优化 遗传算法 多目标优化 替代模型 最优化问题 计算机科学 模态分析 弯曲 数学优化 功能(生物学) 优化设计 人工神经网络 径向基函数 基础(线性代数) 屋顶 水弹性 模式(计算机接口)
作者
Xinpeng Shi,Zhihua Sha,Yu Liu,Tianyi Zhou,Yana Li
出处
期刊:Engineering Computations [Emerald Publishing Limited]
卷期号:43 (6): 2251-2271 被引量:1
标识
DOI:10.1108/ec-05-2025-0439
摘要

Purpose Structural damage of metro carbody structures under extreme operating conditions significantly compromises operational safety. Conventional optimization approaches for metro carbody structures are often limited to single load cases and oversimplified methods. To overcome these limitations, this study aims to propose a novel two-stage optimization strategy. Design/methodology/approach The methodology enables multi-objective optimization analysis incorporating stiffness, static strength, modal performance, mass and fatigue damage, providing engineers with an efficient framework for carbody structural optimization. The study first established a finite element model of the metro carbody and conducted experimental validation. On this basis, a two-stage optimization approach was implemented. In the first stage, topology optimization was performed on the cross-sections of the floor and the main load-bearing roof profiles to determine the optimal material layout. In the second stage, a surrogate model correlating the thickness of highly sensitive components with carbody performance was constructed using a radial basis function neural network. Based on this surrogate model, precise dimensional optimization of the thickness parameters for these highly sensitive components was then carried out employing the improved non-dominated sorting genetic algorithm II. Findings The optimized carbody structure achieved a 140 kg mass reduction and increased the first-order vertical bending frequency from 9.52 Hz to 10.05 Hz, demonstrating the effectiveness and feasibility of the proposed methodology. Originality/value The findings provide valuable insights for optimizing metro carbody performance under complex operational conditions, particularly regarding the balanced improvement of multiple competing performance indicators.
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