節(jié)能降耗大趨勢下的日本鐵路車輛結構減重設計

1 引言

隨著技術的發(fā)展，鐵路車輛的動力性能、安全性等顯著提升。但由于新設備的安裝和碰撞安全設計的引入，車輛重量會隨之增加，這導致車輛在行駛過程中的能源消耗也相應加大。因此，從節(jié)能降耗的角度出發(fā)，完善車輛的減重設計成為重要課題。其中，對車輛結構進行有效減重是關鍵環(huán)節(jié)。

結構優(yōu)化法是一種通過數(shù)值分析對物體形狀和結構進行優(yōu)化的方法，已應用于諸如汽車、航空等設計領域中，是一種較為成熟的設計方法；但在鐵道車輛設計領域，雖然有少量基礎研究及應用案例，但還未普及。

日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）在將結構優(yōu)化法運用于車輛減重設計方面做了許多研究和嘗試，并取得了相應的成果。本文將對此進行介紹。

2 結構優(yōu)化法概述

結構優(yōu)化法是通過解析既往結構以得到滿足目前設計要求的形狀的方法，主要分為拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化2類。拓撲優(yōu)化是通過計算載荷對初始結構產(chǎn)生影響的程度（載荷傳遞密度）并據(jù)此去除影響較小的構件材料以實現(xiàn)材料分布優(yōu)化的方法，其適用于結構的概念設計階段（圖1a）。形狀優(yōu)化是指以限制待優(yōu)化結構在載荷作用下產(chǎn)生的應力強弱和形變大小為前提，從減重最大化的目標出發(fā)，通過擴大/縮小其構件結構形狀的方法得到最合適的結構形狀，其為一種形狀算法，適用于結構的形狀設計階段（圖1b）。在優(yōu)化過程中，質(zhì)量、應力、剛度等數(shù)據(jù)會被定義為各種目標函數(shù)，可通過計算其最小值或最大值獲得優(yōu)化結果；同時還可給出限制條件（邊界條件），從而使優(yōu)化后的相關參數(shù)不超過規(guī)定限值，滿足設計條件。由于這些目標函數(shù)和約束可以同時設置多個條件，所以優(yōu)化的自由度很高，可以推導出不拘泥于傳統(tǒng)概念的結構形式。

需要注意的是，如果沒有適當邊界條件的約束，采用結構優(yōu)化法得到的結構在大多數(shù)情況下是無法加工制造或在功能上不符合設計要求的。因此，在結構優(yōu)化過程中，設置相關的邊界條件和基本參數(shù)（如防止應力、剛度等物理量超過規(guī)定值的基本邊界約束條件）至關重要。為保證基于骨架結構的鐵路車輛在減重優(yōu)化后的可制造性，可設置如下限制條件（圖2）：①限制設計優(yōu)化區(qū)域，即在保持原始基本形狀的前提下設置優(yōu)化限制區(qū)；②保持橫截面形狀的一致性，即縱向的斷面形狀保持一致；③設置脫模限制條件，即設置沖壓加工時防止加工件脫模的附加形狀；④保持平面度，即確保指定平面的平整度不被改變；⑤保持形狀變更的一致性，即相互連接的兩個部件在連接處的形狀變化應相同。

圖2 結構優(yōu)化時的可制造性約束條件

3 車輛結構減重

由于鐵路車輛是大型結構體，其運行時的實際運動比較復雜，因此僅針對車輛結構建立的模型不足以用來評估載荷傳遞路徑和應力情況。此外，鑒于車體結構內(nèi)部承受高載荷的區(qū)域是有限的，加之車輛主體為骨架結構，由梁、柱等諸多形狀相同的構件構成，所以對車輛整體實施減重優(yōu)化的效率并不高。而如果以形狀相同的構件中承受載荷最大者為標準，制造出符合要求、具有足夠強度的輕量化構件，則可認為其適用于其他同樣形狀的部位?；谏鲜鲈颍F道綜研提出了利用拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化相結合的方法對主體為骨架結構的鐵路車輛進行結構優(yōu)化的方案。

首先，計算出需對待優(yōu)化構件施加的載荷等，并參照以往車輛結構的解析模型（單車模型）進行應力分析。為此，研究人員根據(jù)日本產(chǎn)業(yè)規(guī)格（JIS）標準進行車體結構載荷測試，計算產(chǎn)生的應力（圖3），并根據(jù)應力分析結果抽選應力最大的構件，將該構件所承受的載荷設定為結構優(yōu)化時的載荷條件。

圖3 既有車輛結構在車體結構載荷測試標準條件下的應力云圖（單位：MPa）

接著，通過拓撲優(yōu)化求出各構件的載荷傳遞密度分布，去除一部分經(jīng)分析得出的載荷密度低的材料，再刷新模型。

然后，通過形狀優(yōu)化進一步減輕構件重量，并導出輕量化的結構。

圖4展示了對車輛地板構件——橫梁進行結構優(yōu)化的流程。優(yōu)化限制條件為：除第2章所述6條可制造性約束條件之外，還包括使橫梁的質(zhì)量最小化，形狀、剛度與優(yōu)化前相同，橫梁內(nèi)產(chǎn)生的應力小于限制標準值。

按照上述步驟，研究人員對圖5所示的構件進行了結構優(yōu)化，得出其減重優(yōu)化后的形狀。圖6展示了其中主要構件優(yōu)化前后的形狀對比。側柱、頂棚彎梁等的橫斷面相較于優(yōu)化前變成了一種特殊的形狀，但由于設置了可制造性約束條件，其可被加工制造和實際使用；側梁的梁體在優(yōu)化前通常不開洞，但優(yōu)化后其側面靠近中央部分增加了多個開洞；如圖4所示的橫梁也變成了具有非常大開洞的樣式。

圖4 結構優(yōu)化流程

圖5 實施結構優(yōu)化的構件

圖6 減重優(yōu)化后的構件結構

表1展示了各構件結構優(yōu)化后的減重效果。由表可知，相較于優(yōu)化前，各構件優(yōu)化后實現(xiàn)了 12%～30%的減重，尤其是頂棚彎梁的減重率達到29.4%。若使用這些減重后的構件，整個車體重量可減輕約 7%。

表1 各構件結構優(yōu)化后的減重效果 %

4 減重后車輛結構性能驗證

為對減重后的構件以及使用這些構件的車輛結構性能和強度進行驗證，研究人員制作了減重后車輛結構分析模型，通過應力分析了解各構件的應力情況，并對其進行載荷強度評估。載荷和邊界約束條件與結構優(yōu)化時相同。圖7展示了減重后車輛結構的應力分布狀況。由圖可知，與優(yōu)化前（圖3）相比，優(yōu)化后的車輛雖有部分區(qū)域應力變大，但在數(shù)值上差異甚小，而且各構件內(nèi)的應力均未超過載荷強度標準限值。雖然某些構件形狀發(fā)生了巨大變化，但其強度并沒有大的變化。

圖7 減重后車輛結構在車體結構載荷測試標準條件下的應力云圖（單位：MPa）

為驗證車體的彎曲剛度，研究人員進行了轉向架安裝座在測試載荷下的垂向位移計算（由剛度標準值求出的最大位移值為 1.0 mm），圖8展示了相關計算結果。由圖可知，雖然轉向架安裝座的最大垂向位移較減重前增大了，但是減重后結構的垂向剛度仍能夠滿足JIS規(guī)定的剛度標準。

圖8 轉向架安裝座垂向位移

此外，為配合數(shù)值分析驗證，研究人員制作了實車大小的試驗車體結構（圖9），用于結構強度驗證。車體結構載荷測試依據(jù)JIS規(guī)定的條件實施，測試結果證明在設定的 170 個應力測量點中，沒有任何一個測量點的應力實測值超過規(guī)范要求。

圖9 用于結構強度驗證的試驗車體結構

綜上所述，經(jīng)結構優(yōu)化的減重后車輛結構性能和強度均符合JIS的要求。