鐵路車輛結(jié)構(gòu)多層面優(yōu)化設計研究及典型運用

葛忠孝

摘要：我國的鐵路運輸是通過多種學科和多種領域所結(jié)合的產(chǎn)物，對于現(xiàn)今最為受歡迎的高速鐵路就具有較高的性能要求，高速鐵路通過解決國外各種難題，總結(jié)了先進的技術，通過不斷創(chuàng)新和研究，逐漸提升自身的技術和能力，為我國鐵路事業(yè)的發(fā)展提供了非常有利的條件。

關鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設計研究；

當前社會經(jīng)濟的發(fā)展，我們的鐵路運輸業(yè)正在迅速發(fā)展隨著時間的推移，我們鐵路系統(tǒng)的發(fā)展和進步在我國鐵路車輛結(jié)構(gòu)設計方面，逐步優(yōu)化和創(chuàng)新已逐步得到重視這對鐵路運輸系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。

一、我國鐵路車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計發(fā)展狀況

隨著時代的不斷發(fā)展，我國鐵路車輛輸業(yè)也在不斷的發(fā)展中，車輛系統(tǒng)更是得到了完善。從二零零六年起我國就提出了“鐵路基礎設施建設要加快，不斷提升路網(wǎng)運輸?shù)墓δ?，不斷提升鐵路自主創(chuàng)新的能力，實現(xiàn)鐵路設備技術的現(xiàn)代化發(fā)展”的思想。而體現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化最明顯的標志就是實現(xiàn)車輛設備的現(xiàn)代化，這樣才能推進鐵路技術良好發(fā)展。要想實現(xiàn)鐵路運輸設備的現(xiàn)代化，鐵路部門就必須要運用先進、成熟、可靠的技術，才能有效實現(xiàn)鐵路運輸設備的標準化、系統(tǒng)化、信息化。我國鐵路客運方式包括：內(nèi)燃動車組、內(nèi)燃集中牽引列車、電力集中牽引列車以及電力動車組等形式，這些鐵路客運形式都是全世界廣泛應用的方式，而且內(nèi)燃動車組和電力動車組都是比較受歡迎的形式，它的編組相對比較靈活、相對比較方便安全。

二、鐵道車輛輕量化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在實現(xiàn)高速運行的諸多關鍵因素中，機車車輛輕量化無疑是重點之一。輕量化將涉及總阻力的大小、列車對線路的動力作用、磨耗、噪音等許多方面，顯然為數(shù)眾多的車輛輕量化的實現(xiàn)對高速運行將具有重大意義。輕量化的途徑基本可以歸納為3個方面：計算理論及方法的應用及發(fā)展；結(jié)構(gòu)設計的改進；新材料的采用及發(fā)展。下面僅就計算理論、方法的應用及發(fā)展進行闡述。計算力學領域里，結(jié)構(gòu)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論及方法的不斷更新，使得工程結(jié)構(gòu)的輕量化程度日益提高。車輛設計中采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，使其在保證一定的強度和剛度的前提下力爭最輕的自重。結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的發(fā)展已不再是單純要求設計師憑經(jīng)驗去創(chuàng)造設計方案，而是在初定結(jié)構(gòu)基礎上運用優(yōu)化理論去尋求例如作為目標函數(shù)的重量等等的最優(yōu)值，從而獲得最佳結(jié)構(gòu)設計。結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的研究及其軟件研究在我國已開始活躍與發(fā)展，在工程實際上已取得初步成果，其中有代表性的是具有國際先進水平的DDDU-2優(yōu)化程序系統(tǒng)，而這個程序系統(tǒng)的一個突出特點是，能夠直接解決實際工程中應用極為廣泛的含梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計問題。因為空間梁不僅受力復雜，而且其橫截面上的9個特性量之間的關系也很難確定，國外的幾個知名的程序?qū)λ疾扇×嘶乇艿膽B(tài)度。專門為鐵道車輛開發(fā)的專用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計軟件（TCJY），則在處理復雜截面梁的優(yōu)化方面有其獨到之處。鐵道車輛設計具有下述一些特點：各類客、貨車輛基本結(jié)構(gòu)各自有很大相似性，結(jié)構(gòu)對稱性好；有“鐵道車輛強度設計及其試驗鑒定規(guī)范”為依據(jù)，因此載荷標準化，約束規(guī)范化；但是結(jié)構(gòu)的桿、梁截面形狀復雜，存在無任何對稱性的復雜截面，這一特點在客車結(jié)構(gòu)中尤為突出。針對這一問題，該系統(tǒng)很好地處理了梁截面物理參數(shù)之間的函數(shù)關系的表達問題，提出了統(tǒng)一的精度表達形式，從而解決了無對稱軸的復雜截面的優(yōu)化問題。鐵道車輛可以簡化成為一個桿—梁—膜的組合結(jié)構(gòu)，或一個桿—梁組合結(jié)構(gòu)，在車輛結(jié)構(gòu)中梁是起主要作用的構(gòu)件，其橫截面形狀復雜，種類繁多，如用回歸統(tǒng)計的方法求得這些梁截面特性量之間的函數(shù)關系式，則其工作量是極其龐大的。

三、鐵路車輛結(jié)構(gòu)多層面優(yōu)化設計研究

1.對近似模型優(yōu)化的技術研究。對于鐵路車輛結(jié)構(gòu)工程來說是一些非常復雜的工程內(nèi)容，而在鐵路車輛復雜的工程結(jié)構(gòu)中，近似模型是非常重要的內(nèi)容。在工程結(jié)構(gòu)中，不同的形態(tài)函數(shù)是設計變量的隱函數(shù)，所以在進行此項工作時，必須要基于有限元法才能有效進行。也就是說對于當前的設計點上的有限元模型進行重新分析。車輛結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)比較復雜，有限元模型計算量也是相對比較大的，消耗的時間也比較長，如果運用有限元分析的方法作為優(yōu)化設計內(nèi)容，那么其工作比較難開展，因此要想提高優(yōu)化分析的效率，則必須要運用近似模型來替代有限元分析的形式，所以近似模型對車輛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化更具有可行性。

2.轉(zhuǎn)向架軸箱轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化研究。在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化中是可以通過劃分其難易程度從這三個層次進行有效的優(yōu)化，分別是對尺寸進行優(yōu)化、對形狀進行優(yōu)化、對拓撲進行優(yōu)化。而對于拓撲優(yōu)化來說它是在尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化兩者發(fā)展后而形成的優(yōu)化形式，它的主要目的就是設計有利的空間，為結(jié)構(gòu)創(chuàng)建出最佳的傳力形式，并以減少材料進行傳遞外載荷，形成最好的布局效果。轉(zhuǎn)臂是鐵路客車中轉(zhuǎn)向架的最重要的部件，它是連接構(gòu)架和車軸的重要部分，它的一端是通過彈性定位節(jié)點來連接構(gòu)架定位座，而另外一端要與裝在軸箱彈簧外側(cè)垂向部位的減震器進行連接。在對轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)拓撲模型進行優(yōu)化設計時，前提是滿足設計強度，并要有效降低結(jié)構(gòu)的重量，通過變密度法對轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，這樣才能保障車輛結(jié)構(gòu)進行有效優(yōu)化。

3.高速鋁合金車體優(yōu)化設計研究。在對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計時，人們通常會想起結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型設計，并運用優(yōu)化算法來進行此項工作，但是還有另一種方法，就是利用敏度信息的比較擇優(yōu)法對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，其主要是通過敏度進行分析，操作形式相對比較簡單且易操作，對于高速鐵路的客車車體設計來說，就可以通過這一形式進行優(yōu)化，高速列車車體輕量化是鐵路車輛最重要的工作項目。而鋁合金密度較小，強度比較高，具有較強的耐腐蝕性，成型效果相對較好，高速鐵路的列車采用鋁合金材質(zhì)是最佳的選擇，但是在執(zhí)行當中卻受很多因素的影響。因此在進行敏度分析時，一定要根據(jù)實際情況，選擇最佳的狀態(tài)，再對其位移敏度、應力敏度進行有效的分析，并運用有效措施創(chuàng)建高速鋁合金車體的高精度的模型，再對其進行有限元進行有效分析，對車體的位移敏度和應力敏度進行計算，在根據(jù)實際經(jīng)驗，設計出輕量化車體優(yōu)化方案，為高速客車打造輕量化的車體。

4.增壓器壓氣機葉片靜動態(tài)一體化優(yōu)化設計研究。對于鐵路機車和內(nèi)燃動車組采油機來說，多數(shù)都是利用了廢氣渦輪增壓器進行運作，而現(xiàn)今隨著我鐵路車輛的高速化和重載化，因此必須要對增壓器進行優(yōu)化，達到增壓器的高壓比、高效率等功能，對于傳統(tǒng)的增壓器來說，增壓器壓氣機葉片靜動一體化優(yōu)化的設計是更加能夠符合現(xiàn)今社會發(fā)展需求。壓氣機葉片是典型的多場藕合問題，其中包含氣動力學、振動力學和結(jié)構(gòu)力學等，因此必須要保障壓氣機氣動性能，保障結(jié)構(gòu)強度和振動特性的約束，從而進行多學科一體化的優(yōu)化設計工作?！皩τ谠鰤浩鲏簹鈾C葉片靜動態(tài)一體化優(yōu)化設計研究”。首先要對壓氣機葉片進行三維參數(shù)化建模，再利用全三維流場進行分析，從而得到葉片的表面壓力，其次在利用線性差值實現(xiàn)啟動到結(jié)構(gòu)藕合信息的傳遞功能，再次利用I一DEAS和ANSYS軟件來分析其葉片的靜動狀態(tài)特性，從而對葉片結(jié)構(gòu)輕度和振動頻率進行多學科一體化的優(yōu)化，來實現(xiàn)其增壓器壓氣機葉片靜動態(tài)一體化優(yōu)化設計。

隨著我國對鐵路運輸車輛系統(tǒng)的不斷發(fā)展，國家必須要重視車輛結(jié)構(gòu)多層面優(yōu)化設計工作，并根據(jù)其特點和所存在的問題對其進行有效的優(yōu)化，這樣才能保障鐵路車輛系統(tǒng)發(fā)展的，以更好的適應現(xiàn)今社會，良好的推動我國經(jīng)濟的發(fā)展。

參考文獻：

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