高速動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略分析

摘 要：在我國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的今天，高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)已取得了重大成就。我國(guó)各大主要城市遍布高速動(dòng)車(chē)網(wǎng)絡(luò)，極大方便了人們的出行。本文通過(guò)對(duì)高速動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略進(jìn)行分析，并以其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為依托，對(duì)現(xiàn)有遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，確定了新的優(yōu)化模型，拓寬了筋板配置優(yōu)化新思路。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車(chē)組；鋁合金；車(chē)體結(jié)構(gòu)；優(yōu)化策略

對(duì)高速動(dòng)車(chē)組進(jìn)行質(zhì)量?jī)?yōu)化，能夠有效降低其牽引功率，除此之外，還有減小噪聲、降低噪音、提升運(yùn)行性能等好處。所以，國(guó)際上先進(jìn)的高速列車(chē)幾乎都是采用鋁合金作為車(chē)體材質(zhì)。目前，我國(guó)自主研發(fā)的高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體材質(zhì)都為鋁合金，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)車(chē)體結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。傳統(tǒng)的鋼質(zhì)車(chē)體結(jié)構(gòu)在確定主體參數(shù)、尺寸、載重等后，還要確定梁柱截面、排放和厚度，確定梁柱位置，只能憑借設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶋H設(shè)備安裝情況來(lái)確定。所以，對(duì)傳統(tǒng)的鋼質(zhì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，主要內(nèi)容就是板材厚度及梁柱截面，是一種較為成熟的截面優(yōu)化。反觀鋁合金車(chē)體，采用的是雙層鼓形酮體結(jié)構(gòu)，并且是由擠壓型材料焊接而成。鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)在確定主體參數(shù)后，還要對(duì)各筋板厚度、型材筋板配置、型材雙層板間距等進(jìn)行充分考慮。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目的就是以安全運(yùn)行、性能滿(mǎn)足需求作為前提，盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。對(duì)鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，主要考慮型材筋板配置、型材雙層板間距、筋板厚度這三類(lèi)。將結(jié)構(gòu)的自振頻率、位移等作為限制條件，使結(jié)構(gòu)以最大振動(dòng)特性、剛度、強(qiáng)度為基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量?jī)?yōu)化。

優(yōu)化模型為：

find.X=（t1，t2...tk，a1，a2...am，p1，p2...pn）

min.W（x）

s.t. oi

其中，W（x）是結(jié)構(gòu)總質(zhì)量；tk是班后變量；am是節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)變量；pn是筋板變量；oi是車(chē)體應(yīng)力；oc是應(yīng)力約束值；uj是車(chē)體指定位移；uc是位移結(jié)束；f是車(chē)體自振頻率；fc是頻率約束值。

對(duì)于此類(lèi)工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其中存在一些問(wèn)題限制了其發(fā)展，其中包括：其一，對(duì)鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)變量包含拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、截面優(yōu)化三類(lèi)，這三種優(yōu)化之間存在一定的耦合性，如果采用獨(dú)立優(yōu)化的方式，會(huì)使優(yōu)化與實(shí)際情況不符，出現(xiàn)誤差，這就失去了優(yōu)化的原有目的。其二，規(guī)模較大，變量較多，使得優(yōu)化效率較低，很難收斂，還有可能不收斂。其三，優(yōu)化問(wèn)題一般非凸，一般的最優(yōu)解能夠較容易的陷入到某個(gè)區(qū)域特定最優(yōu)解，而不是整體最優(yōu)解。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 適應(yīng)度函數(shù)

首先，通過(guò)懲罰函數(shù)將工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，由有約束優(yōu)化轉(zhuǎn)化為序列無(wú)約束優(yōu)化，將：

find.X=（t1，t2...tk，a1，a2...am，p1，p2...pn）

min.W（x）

s.t. oi

轉(zhuǎn)化為：F=hW+r（fc-f）（fc-f）+ΣSk（uc-uk）（uc-uk）+Σtk（σc-σk）（σc-σk）

其中，h，r，Sk，tk是懲罰系數(shù)；h是質(zhì)量項(xiàng)系數(shù)；r是頻率項(xiàng)系數(shù)；Sk是位移項(xiàng)系數(shù)；tk是應(yīng)力項(xiàng)系數(shù)。懲罰系數(shù)除了要保證完成本身應(yīng)有的功能外，還要在不同力學(xué)間起到協(xié)調(diào)作用，使得適應(yīng)度函數(shù)能夠最大限度滿(mǎn)足收斂需求。一般設(shè)置一個(gè)頻率約束，而設(shè)置多個(gè)位移約束和應(yīng)力約束。但由于懲罰函數(shù)構(gòu)造的車(chē)體為極小值，因此可取適應(yīng)度函數(shù)倒數(shù)作為最終解。如設(shè)計(jì)點(diǎn)超出可行域，離可行域越近的適應(yīng)度函數(shù)越大；如設(shè)計(jì)點(diǎn)在可行域范圍內(nèi)，這時(shí)適應(yīng)度函數(shù)就與約束不發(fā)生關(guān)系，只與結(jié)構(gòu)質(zhì)量有關(guān)，二者為反比關(guān)系。

2.2 型材形狀優(yōu)化

車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)、美觀等會(huì)影響到鋁合金車(chē)體外部造型，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，將外層板幾何視作參數(shù)，確定內(nèi)板層位置通過(guò)調(diào)整間距來(lái)完成。所以，將內(nèi)層板自然節(jié)點(diǎn)動(dòng)量視作變量，既能調(diào)整間距，而且還能對(duì)控制點(diǎn)變量進(jìn)行約束。但這也存在一些缺陷，就是會(huì)導(dǎo)致邊界形狀出現(xiàn)不規(guī)則的問(wèn)題，也就是說(shuō)，對(duì)車(chē)體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，邊界容易產(chǎn)生鋸齒形，進(jìn)而降低其實(shí)用性。

2.3 筋板配置

為了確保鋁合金車(chē)體的強(qiáng)度、剛度足夠大，通常來(lái)說(shuō)，擠壓型材的雙層板內(nèi)有近半進(jìn)行連接，這種筋板設(shè)置有斜向連接和垂直型材面板兩種，但眼下還沒(méi)有完整的方法能夠?qū)ζ溥M(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。但可以采取其他方法，例如，先對(duì)車(chē)體最大化結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定，刪除多余的筋板，盡量使剩下的結(jié)構(gòu)靠近最優(yōu)設(shè)計(jì)。改進(jìn)車(chē)頂形狀，在原基礎(chǔ)上加入斜筋，讓初始車(chē)體結(jié)構(gòu)更加豐富。將每個(gè)筋板視作獨(dú)立變量，可用一位二進(jìn)制進(jìn)行表達(dá)，之后對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。除去多余的筋板，使剩下的結(jié)構(gòu)依然能夠承受荷載。這有方法操作簡(jiǎn)單，不會(huì)遇到傳統(tǒng)算法會(huì)遇到的問(wèn)題；但也存在缺點(diǎn)，就是會(huì)降低優(yōu)化效率，會(huì)消耗大量機(jī)時(shí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文所采取的優(yōu)化策略具備較好的實(shí)用性。通過(guò)遺傳算法，在對(duì)鋁合金車(chē)體進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，能夠使拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、截面優(yōu)化這三種優(yōu)化放置在同一模型中進(jìn)行。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，適應(yīng)度函數(shù)收斂性較好，能夠完成車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)，而且筋板拓?fù)鋬?yōu)化和內(nèi)層板節(jié)坐標(biāo)也行之有效。但還存在一些不足，如優(yōu)化率不高、機(jī)時(shí)消耗多等，還需要在日后的研究中進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢(qián)立新.世界高速鐵路技術(shù)[J].鐵道學(xué)報(bào)，2017（6）.

作者簡(jiǎn)介：

呂海磊（1972- ），男，漢族，山東青島人，本科，青島市首席技師，中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，研究方向：高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體組裝與調(diào)修。