高速動車組鋁合金車體結構優化策略分析

摘 要：在我國經濟蓬勃發展的今天，高速動車組技術已取得了重大成就。我國各大主要城市遍布高速動車網絡，極大方便了人們的出行。本文通過對高速動車組鋁合金車體結構優化策略進行分析，并以其結構特點為依托，對現有遺傳算法進行優化，確定了新的優化模型，拓寬了筋板配置優化新思路。

關鍵詞：高速動車組；鋁合金；車體結構；優化策略

對高速動車組進行質量優化，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、提升運行性能等好處。所以，國際上先進的高速列車幾乎都是采用鋁合金作為車體材質。目前，我國自主研發的高速動車組車體材質都為鋁合金，這種結構與傳統的鋼質車體結構有很大區別。傳統的鋼質車體結構在確定主體參數、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，只能憑借設計師的經驗或實際設備安裝情況來確定。所以，對傳統的鋼質車體結構進行優化時，主要內容就是板材厚度及梁柱截面，是一種較為成熟的截面優化。反觀鋁合金車體，采用的是雙層鼓形酮體結構，并且是由擠壓型材料焊接而成。鋁合金車體結構在確定主體參數后，還要對各筋板厚度、型材筋板配置、型材雙層板間距等進行充分考慮。

1 優化設計模型

車體結構優化的主要目的就是以安全運行、性能滿足需求作為前提，盡量減輕結構質量。對鋁合金車體結構進行優化時，主要考慮型材筋板配置、型材雙層板間距、筋板厚度這三類。將結構的自振頻率、位移等作為限制條件，使結構以最大振動特性、剛度、強度為基礎，進而實現質量優化。

優化模型為：

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

min.W（x）

s.t. oi

其中，W（x）是結構總質量；tk是班后變量；am是節點坐標變量；pn是筋板變量；oi是車體應力；oc是應力約束值；uj是車體指定位移；uc是位移結束；f是車體自振頻率；fc是頻率約束值。

對于此類工程的結構優化，其中存在一些問題限制了其發展，其中包括：其一，對鋁合金車體結構進行優化，設計變量包含拓撲優化、形狀優化、截面優化三類，這三種優化之間存在一定的耦合性，如果采用獨立優化的方式，會使優化與實際情況不符，出現誤差，這就失去了優化的原有目的。其二，規模較大，變量較多，使得優化效率較低，很難收斂，還有可能不收斂。其三，優化問題一般非凸，一般的最優解能夠較容易的陷入到某個區域特定最優解，而不是整體最優解。

2 優化設計方案

2.1 適應度函數

首先，通過懲罰函數將工程結構進行轉化，由有約束優化轉化為序列無約束優化，將：

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

min.W（x）

s.t. oi

轉化為：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；h是質量項系數；r是頻率項系數；Sk是位移項系數；tk是應力項系數。懲罰系數除了要保證完成本身應有的功能外，還要在不同力學間起到協調作用，使得適應度函數能夠最大限度滿足收斂需求。一般設置一個頻率約束，而設置多個位移約束和應力約束。但由于懲罰函數構造的車體為極小值，因此可取適應度函數倒數作為最終解。如設計點超出可行域，離可行域越近的適應度函數越大；如設計點在可行域范圍內，這時適應度函數就與約束不發生關系，只與結構質量有關，二者為反比關系。

2.2 型材形狀優化

車輛的空氣動力學、美觀等會影響到鋁合金車體外部造型，所以在設計時，將外層板幾何視作參數，確定內板層位置通過調整間距來完成。所以，將內層板自然節點動量視作變量，既能調整間距，而且還能對控制點變量進行約束。但這也存在一些缺陷，就是會導致邊界形狀出現不規則的問題，也就是說，對車體進行優化設計時，邊界容易產生鋸齒形，進而降低其實用性。

2.3 筋板配置

為了確保鋁合金車體的強度、剛度足夠大，通常來說，擠壓型材的雙層板內有近半進行連接，這種筋板設置有斜向連接和垂直型材面板兩種，但眼下還沒有完整的方法能夠對其進行拓撲優化。但可以采取其他方法，例如，先對車體最大化結構進行確定，刪除多余的筋板，盡量使剩下的結構靠近最優設計。改進車頂形狀，在原基礎上加入斜筋，讓初始車體結構更加豐富。將每個筋板視作獨立變量，可用一位二進制進行表達，之后對其進行拓撲優化設計。除去多余的筋板，使剩下的結構依然能夠承受荷載。這有方法操作簡單，不會遇到傳統算法會遇到的問題；但也存在缺點，就是會降低優化效率，會消耗大量機時。

3 結束語

綜上所述，本文所采取的優化策略具備較好的實用性。通過遺傳算法，在對鋁合金車體進行優化時，能夠使拓撲優化、形狀優化、截面優化這三種優化放置在同一模型中進行。通過實驗證明，適應度函數收斂性較好，能夠完成車體結構優化設計任務，而且筋板拓撲優化和內層板節坐標也行之有效。但還存在一些不足，如優化率不高、機時消耗多等，還需要在日后的研究中進行改進。

參考文獻：

[1]錢立新.世界高速鐵路技術[J].鐵道學報，2017（6）.

作者簡介：

呂海磊（1972- ），男，漢族，山東青島人，本科，青島市首席技師，中車青島四方機車車輛股份有限公司，研究方向：高速動車組車體組裝與調修。