基于AWE的工藝轉(zhuǎn)向架構(gòu)架優(yōu)化設(shè)計研究

李鵬程，熊禾根

（武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院，武漢 430081）

0 引言

動車組的出現(xiàn)，大大提高列車的運行速度，促進我國經(jīng)濟與社會的全面發(fā)展。但動車的快捷、安全運行，需要相關(guān)配套的工藝設(shè)備為動車定期檢修服務(wù)。動車組檢修共分為五級，通常一級、二級檢修時動車組整列進入檢修基地進行作業(yè)；三級及以上級別檢修時需要機車車體與轉(zhuǎn)向架分離，此時需要由配套的設(shè)備承載機車車體。工藝轉(zhuǎn)向架可以滿足各型動車的需求，可以在機車車體和轉(zhuǎn)向架分離后，替換轉(zhuǎn)向架，牽引承載車體，完成車體在各檢修工位間移動的專用工裝設(shè)備，因此對工藝轉(zhuǎn)向架的設(shè)計與分析，有很重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景。

一套工藝轉(zhuǎn)向架通常由動力工藝轉(zhuǎn)向架和非動力工藝轉(zhuǎn)向架組成，兩者配對使用，支撐單節(jié)機車車體。動力工藝轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、橫梁、輪對、減速機與電機、軸箱和彈性支撐部件等組成；非動力工藝轉(zhuǎn)向架無需電機部件，其余結(jié)構(gòu)與動力工藝轉(zhuǎn)向架相同。動力工藝轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 工藝轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)模型

構(gòu)架是工藝轉(zhuǎn)向架的主要承載部件，其空間安裝位置如圖1所示。構(gòu)架兩側(cè)為兩根側(cè)梁，每根側(cè)梁由內(nèi)側(cè)板、外側(cè)板、頂板、彈性支撐板以及筋板焊接而成，其中內(nèi)、外側(cè)板及頂板的厚度均為12mm,筋板厚度為30mm;兩端一根為牽引梁，另一端為端梁，兩者結(jié)構(gòu)完全相同，可實現(xiàn)雙向牽引；中間由兩鋼管橫向連接；另有四根角鋼橫向連接以支撐兩個蓄電池箱。根據(jù)現(xiàn)有動車不同車體的要求，參考起重機設(shè)計手冊[3]和設(shè)計經(jīng)驗，構(gòu)架初步設(shè)計的總體尺寸：長3800mm,寬2100mm, 高450mm，每根側(cè)梁寬425mm，構(gòu)架模型如圖2所示。

圖2 構(gòu)架的實體模型

1 構(gòu)架的有限元模型

為了更好地分析構(gòu)架在工作中的受力與變形情況，精確的有限元模型是至關(guān)重要的。構(gòu)架的有限元分析是在AWE環(huán)境中參數(shù)化建模，并對構(gòu)架模型進行適當?shù)暮喕幚恚雎詫?gòu)架有限元分析影響很小的特征，如安裝在構(gòu)架上的報警燈、緩沖器、牽引鉤等。該構(gòu)架采用普通碳鋼Q235材料，其屬性為：屈服極限為235MPa、泊松比為0.3、彈性模量為2×105MPa、密度為7.85×10-9T/mm3。

構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用切分的方法將構(gòu)架分割成有規(guī)格的結(jié)構(gòu)，采用掃略的方法對其進行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用網(wǎng)格形狀比較規(guī)則的SOLID186單元（20節(jié)點六面體單元），將其離散為27452個節(jié)點，3511個單元。構(gòu)架的AWE有限元模型如圖3所示。

圖3 構(gòu)架的有限元模型

2 靜力學(xué)分析

2.1 邊界條件與載荷的施加

構(gòu)架主要承受來自機車車體重量的垂直方向載荷，車體重量通過彈性支撐部件作用在橫梁上，再通過橫梁與側(cè)梁的四個接觸面作用于側(cè)梁上。構(gòu)架承載的設(shè)計要求是50噸，考慮單節(jié)機車車體的綜合重量、動載荷等因素，設(shè)計按60噸計算與分析。

如前所述，單節(jié)機車車體由動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架配合支撐，故每臺轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的垂向載荷為60×9.8/2=294KN，四個接觸面面積為：4×300×425=510000 mm2，計算知施加在四個接觸面上的壓強為0.576 MPa 。靜力學(xué)分析時在構(gòu)架與橫梁的四個接觸面（如圖2所示的橫梁和構(gòu)架側(cè)梁的四個接觸面）處以壓強形式施加載荷，并在構(gòu)架兩側(cè)梁內(nèi)的四塊彈性支撐板處施加全約束。

2.2 靜力學(xué)結(jié)果分析

在AWE環(huán)境中DS（ANSYS Analysis）模塊對構(gòu)架進行靜力學(xué)分析，構(gòu)架在壓強載荷作用下，后處理中得到構(gòu)架的等效應(yīng)力云圖（如圖4所示）和總變形云圖（如圖5所示）。

由圖4可知構(gòu)架的等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在兩側(cè)梁的頂板與筋板連接處，最大應(yīng)力值為85.756MPa。TB/T1335-1996中規(guī)定，對焊縫區(qū)，最大可能載荷或超常載荷下的許用應(yīng)力為材料的屈服極限除以1.1倍的安全系數(shù)；在運用載荷下許用應(yīng)力為材料的屈服極限除以1.65倍的安全系數(shù)。而本次計算為運營工況，因此Q235鋼板焊接結(jié)構(gòu)材料在運營工況下的許用應(yīng)力為142MPa，構(gòu)架的等效應(yīng)力遠小于構(gòu)架的許用應(yīng)力，故構(gòu)架結(jié)構(gòu)尺寸尚有較大的優(yōu)化空間。

圖4 等效應(yīng)力云圖

圖5 總變形云圖

由圖5知構(gòu)架在0.576Mpa壓強下的總變形量最大值為0.6834mm,且出現(xiàn)在構(gòu)架與橫梁的四個接觸面處。參考《起重機械金屬結(jié)構(gòu)》知構(gòu)架的許用撓度值為L/700（L代表構(gòu)架的跨距：2500mm），計算其許用撓度值為3.57mm,故構(gòu)架的變形量遠小于許用撓度值，其剛度足夠且有很大的冗余空間。

3 構(gòu)架的優(yōu)化設(shè)計

構(gòu)架的優(yōu)化是在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進行的，由靜力學(xué)分析結(jié)果知構(gòu)架有優(yōu)化的必要。

A W E環(huán)境有兩類優(yōu)化方式：S h a p e Optimization模塊的形狀拓撲優(yōu)化和Design Explorer（DX）模塊的參數(shù)優(yōu)化。形狀拓撲優(yōu)化是在線性靜力學(xué)和減少實體結(jié)構(gòu)體積的基礎(chǔ)上，尋找需要去除材料的區(qū)域的形狀優(yōu)化方式，此方法比較粗略、簡單、快捷； DX模塊優(yōu)化是針對結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化。在DX模塊中進行優(yōu)化設(shè)計分析是通過響應(yīng)面（線）來完成的，其支持的方法是實驗數(shù)據(jù)法（The Design of Experiments Method）,簡稱DOE法。一旦運算結(jié)束，響應(yīng)面（線）的曲面（線）的擬合就是通過設(shè)計點（Design point）來完成的。

構(gòu)架的優(yōu)化是采用D X模塊的目標驅(qū)動GDO(Goal Driven Optimization)方法的參數(shù)優(yōu)化。GDO法實際是一種多目標優(yōu)化技術(shù)，是從給出的一組樣本（即一定量的設(shè)計點）中得到“最佳”的設(shè)計點。GDO法根據(jù)設(shè)計參數(shù)的數(shù)量，采用DOE實驗設(shè)計方法，得到多組設(shè)計點。DOE法采用蒙特卡羅抽樣技術(shù)，采集樣點并計算每個樣點的響應(yīng)結(jié)果，采用二次插值函數(shù)構(gòu)造設(shè)計空間的響應(yīng)面或設(shè)計曲線。構(gòu)架在AWE環(huán)境中采用GDO法優(yōu)化后可得到三組“較佳”的優(yōu)化結(jié)果，而優(yōu)化結(jié)果主要取決于目標函數(shù)，目標函數(shù)包括了響應(yīng)面輸入，輸出變量的目標取值和重要性級別。設(shè)計人員可根據(jù)多個目標重要性級別的不同和其他目標函數(shù)約束條件（如應(yīng)力值），選出一組綜合性能最佳的設(shè)計參數(shù)做為優(yōu)化結(jié)果。

3.1 定義設(shè)計變量與目標函數(shù)

構(gòu)架的建模、靜力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計均在AWE環(huán)境中實現(xiàn)，而優(yōu)化主要是針對構(gòu)架兩側(cè)梁板厚的優(yōu)化且兩側(cè)梁對應(yīng)位置板厚一致。

設(shè)計變量是在DM模塊中定義的，側(cè)梁的主要鋼板厚度作為輸入變量：外側(cè)板板厚（Wai_depth）、內(nèi)側(cè)板板厚（Nei_depth）、頂板板厚（Ding_depth），如圖2所示。

目標函數(shù)變量是在DS模塊中定義的：構(gòu)架質(zhì)量（geometry mass）、最大等效應(yīng)力（equivalent stress maximum）、總變形（total deformation）。

3.2 優(yōu)化設(shè)計

構(gòu)架的設(shè)計要求是希望在滿足材質(zhì)強度和剛度的情況下，盡可能降低構(gòu)架的重量。參考《起重機設(shè)計手冊》[3]，知構(gòu)架的側(cè)梁板厚應(yīng)不小于6mm。各設(shè)計變量采用連續(xù)型變量，且各變量取值范圍設(shè)為6mm～12mm。DX模塊根據(jù)三個輸入?yún)?shù)及參數(shù)范圍，自動生成15組設(shè)計點。結(jié)合生成的15組設(shè)計點，并確定優(yōu)化結(jié)果時需要設(shè)置三個目標函數(shù)為求解的最小值（minimize）和重要級別，可得到三組較好的優(yōu)化方案結(jié)果[7]（如表1所示）。重要性級別設(shè)置如下：geometry mass為較高級別（higer）、equivalent stress maximum和total deformation為默認等級（default）。

表1 三組較好的優(yōu)化結(jié)果

由表1可知三組優(yōu)化方案結(jié)果中第一組質(zhì)量最小，第二組等效應(yīng)力和總變形最小，且三組優(yōu)化結(jié)果的等效應(yīng)力值均小于142MPa。但優(yōu)化結(jié)果的板厚是小數(shù)，需要對其小數(shù)部分圓整，便于選材。為保證構(gòu)架的安全、可靠、輕量化設(shè)計等綜合要求，本設(shè)計選取頂板板厚為10mm,內(nèi)側(cè)板與外側(cè)板板厚均為7mm。

表2 優(yōu)化前后設(shè)計變量與質(zhì)量參數(shù)對比

從表2可知，優(yōu)化后的參數(shù)都有較大的變化，并驗證分析知優(yōu)化后的方案不僅滿足強度、剛度要求，而且質(zhì)量比優(yōu)化前大約減少13.78%，大大減輕構(gòu)架的重量和降低了生產(chǎn)成本。

4 優(yōu)化前后構(gòu)架的模態(tài)分析

構(gòu)架結(jié)構(gòu)重量減輕后，其固有頻率必然降低，因此存在因工作激振頻率引起共振的可能，為此需要驗證優(yōu)化后構(gòu)架的振動穩(wěn)定性。根據(jù)構(gòu)架的工作條件，通常系統(tǒng)發(fā)生共振的固有頻率在低階模態(tài)處，利用有限元中的模態(tài)分析模塊可計算出構(gòu)架優(yōu)化前后前6階的固有頻率與振型，結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化前后模態(tài)分析結(jié)果對比

由表3可知構(gòu)架在優(yōu)化后的頻率比優(yōu)化前小很多，主要是因為構(gòu)架在減少重量的同時也降低了構(gòu)架的剛度；另外構(gòu)架的振型與優(yōu)化前有較小的變動，且變形主要發(fā)生在構(gòu)架兩側(cè)梁的外側(cè)板處。電機的額定轉(zhuǎn)速為1450 r/min，對應(yīng)頻率為24.167 Hz，小于優(yōu)化后構(gòu)架的各階固有頻率，由此可知，優(yōu)化后的構(gòu)架可避免共振的發(fā)生。

5 結(jié)論

根據(jù)不同動車車體的要求，初步設(shè)計構(gòu)架尺寸，并在AWE環(huán)境下對構(gòu)架參數(shù)化建模、靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，分析可知初步設(shè)計的構(gòu)架尺寸可以滿足強度、剛度與動力學(xué)性能；最后對構(gòu)架進行輕量化設(shè)計，在保證強度、剛度的前提下，質(zhì)量減輕大約13.78%，降低構(gòu)架的生產(chǎn)成本，同時也避免構(gòu)架發(fā)生共振的現(xiàn)象。輕量化設(shè)計沒有大的改變構(gòu)架的結(jié)構(gòu)，僅對構(gòu)架兩側(cè)梁的板厚進行優(yōu)化，對構(gòu)架的研發(fā)和生產(chǎn)有重要的參考價值。

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