1、能源短缺和環(huán)境污染已成為世界各國致力于解決的問題，輕量化和節(jié)能降耗已成為未來軌道交通運(yùn)輸裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是保障軌道交通列車安全運(yùn)行的重要核心部件之一，本文以軌道交通列車風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的輕量化和氣動(dòng)性能為研究對(duì)象，圍繞著結(jié)構(gòu)輕量化和氣動(dòng)性能提升的問題，進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究。本文所開展和完成的研究工作如下:
　　(1)開展了風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能及強(qiáng)度振動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于非定常流固耦合的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)性能及葉輪結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模型，為

2、葉輪結(jié)構(gòu)輕量化和風(fēng)機(jī)翼型氣動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的計(jì)算模型。在風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的單和多因素靈敏度分析的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，有效地提高了風(fēng)機(jī)效率，為風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能優(yōu)化研究建立了基礎(chǔ)。
　　(2)針對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)問題，為了滿足軌道交通列車裝備的高可靠性的要求，分別采用確定性、可靠性和穩(wěn)健性技術(shù)對(duì)鑄鋁葉輪進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)健優(yōu)化結(jié)果可以更好地容忍不確定性。經(jīng)多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化后，鑄鋁葉輪結(jié)構(gòu)的重量下降了31.0％，

3、可滿足軌道列車高可靠性和輕量化的應(yīng)用要求。針對(duì)葉輪的輕量化材料設(shè)計(jì)問題，考慮軌道交通列車運(yùn)行環(huán)境異常復(fù)雜的問題，對(duì)片狀模塑料(Sheet molding compound，SMC)模壓成型材料的耐環(huán)境和耐水性進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該材料具有較好的耐環(huán)境性結(jié)論。通過采用無機(jī)陶瓷防水涂料進(jìn)行防水處理，顯著增強(qiáng)了該材料的耐水性。經(jīng)多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化后，SMC模壓成型的葉輪可以更好的滿足葉輪結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)要求。最后采用動(dòng)、靜應(yīng)力試驗(yàn)和超速試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算

4、結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，具有較好的精度結(jié)果。
　　(3)在風(fēng)筒結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方面，由于風(fēng)筒結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用隨機(jī)振動(dòng)有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算，在網(wǎng)格數(shù)量較多的情況下，單次計(jì)算時(shí)間長。為了提高穩(wěn)健性優(yōu)化效率和精度，采用高低精度誤差補(bǔ)償?shù)慕颇Ｐ停瑢?duì)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)后，金屬風(fēng)筒結(jié)構(gòu)的重量下降了13.4％。并針對(duì)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)的輕量化材料設(shè)計(jì)問題，研究了一種增強(qiáng)纖維碳玻混雜真空技術(shù)復(fù)合材料的風(fēng)筒結(jié)構(gòu)。通過多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)

5、后，該方案可以更好的滿足風(fēng)筒結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)要求。通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，優(yōu)化后風(fēng)筒結(jié)構(gòu)可以滿足鐵路用列車設(shè)備及附件的隨機(jī)振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)的要求。
　　(4)腐蝕是風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要研究課題之一?？紤]結(jié)構(gòu)尺寸、材料及載荷等不確定性和自相關(guān)性，將時(shí)變可靠性問題轉(zhuǎn)化成靜態(tài)可靠性問題，并將隨機(jī)過程進(jìn)行時(shí)間離散，從而顯著提高了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠性的分析效率，可有效地解決風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)衰減和腐蝕等時(shí)變可靠性的問題。分別對(duì)鑄鋁葉輪的強(qiáng)度、SMC葉輪的振動(dòng)、金

6、屬和增強(qiáng)纖維風(fēng)筒的強(qiáng)度進(jìn)行了時(shí)變可靠性分析，結(jié)果均滿足工程設(shè)計(jì)可靠性指標(biāo)的要求，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。
　　(5)針對(duì)樣本數(shù)據(jù)少、信息缺乏的工程問題，在穩(wěn)健性設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)機(jī)翼型氣動(dòng)性能進(jìn)行了區(qū)間的不確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過建立區(qū)間模型非概率可靠性指標(biāo)，在Kriging近似模型基礎(chǔ)上構(gòu)建了穩(wěn)健性優(yōu)化模型，并采用了雙重優(yōu)化求解策略進(jìn)行求解，以提高優(yōu)化效率。為了提高葉型造型的擬合精度，采用五項(xiàng)多項(xiàng)式方法對(duì)翼型各截面進(jìn)行參數(shù)化建模