鐵路車輛結構多層面優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合的產物，對于現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，總結了先進的技術，通過不斷創新和研究，逐漸提升自身的技術和能力，為我國鐵路事業的發展提供了非常有利的條件。

關鍵詞：結構優化；設計研究；

當前社會經濟的發展，我們的鐵路運輸業正在迅速發展隨著時間的推移，我們鐵路系統的發展和進步在我國鐵路車輛結構設計方面，逐步優化和創新已逐步得到重視這對鐵路運輸系統構成了巨大的挑戰。

一、我國鐵路車輛結構優化設計發展狀況

隨著時代的不斷發展，我國鐵路車輛輸業也在不斷的發展中，車輛系統更是得到了完善。從二零零六年起我國就提出了“鐵路基礎設施建設要加快，不斷提升路網運輸的功能，不斷提升鐵路自主創新的能力，實現鐵路設備技術的現代化發展”的思想。而體現鐵路現代化最明顯的標志就是實現車輛設備的現代化，這樣才能推進鐵路技術良好發展。要想實現鐵路運輸設備的現代化，鐵路部門就必須要運用先進、成熟、可靠的技術，才能有效實現鐵路運輸設備的標準化、系統化、信息化。我國鐵路客運方式包括：內燃動車組、內燃集中牽引列車、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構優化

在實現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，顯然為數眾多的車輛輕量化的實現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展；結構設計的改進；新材料的采用及發展。下面僅就計算理論、方法的應用及發展進行闡述。計算力學領域里，結構分析及結構優化理論及方法的不斷更新，使得工程結構的輕量化程度日益提高。車輛設計中采用結構優化方法，使其在保證一定的強度和剛度的前提下力爭最輕的自重。結構優化理論的發展已不再是單純要求設計師憑經驗去創造設計方案，而是在初定結構基礎上運用優化理論去尋求例如作為目標函數的重量等等的最優值，從而獲得最佳結構設計。結構優化理論的研究及其軟件研究在我國已開始活躍與發展，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優化程序系統，而這個程序系統的一個突出特點是，能夠直接解決實際工程中應用極為廣泛的含梁結構的優化設計問題。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對它都采取了回避的態度。專門為鐵道車輛開發的專用結構優化設計軟件（TCJY），則在處理復雜截面梁的優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、貨車輛基本結構各自有很大相似性，結構對稱性好；有“鐵道車輛強度設計及其試驗鑒定規范”為依據，因此載荷標準化，約束規范化；但是結構的桿、梁截面形狀復雜，存在無任何對稱性的復雜截面，這一特點在客車結構中尤為突出。針對這一問題，該系統很好地處理了梁截面物理參數之間的函數關系的表達問題，提出了統一的精度表達形式，從而解決了無對稱軸的復雜截面的優化問題。鐵道車輛可以簡化成為一個桿—梁—膜的組合結構，或一個桿—梁組合結構，在車輛結構中梁是起主要作用的構件，其橫截面形狀復雜，種類繁多，如用回歸統計的方法求得這些梁截面特性量之間的函數關系式，則其工作量是極其龐大的。

三、鐵路車輛結構多層面優化設計研究

1.對近似模型優化的技術研究。對于鐵路車輛結構工程來說是一些非常復雜的工程內容，而在鐵路車輛復雜的工程結構中，近似模型是非常重要的內容。在工程結構中，不同的形態函數是設計變量的隱函數，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。車輛結構工程結構比較復雜，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化設計內容，那么其工作比較難開展，因此要想提高優化分析的效率，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構的優化更具有可行性。

2.轉向架軸箱轉臂結構拓撲優化研究。在進行結構優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化，分別是對尺寸進行優化、對形狀進行優化、對拓撲進行優化。而對于拓撲優化來說它是在尺寸優化和形狀優化兩者發展后而形成的優化形式，它的主要目的就是設計有利的空間，為結構創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。轉臂是鐵路客車中轉向架的最重要的部件，它是連接構架和車軸的重要部分，它的一端是通過彈性定位節點來連接構架定位座，而另外一端要與裝在軸箱彈簧外側垂向部位的減震器進行連接。在對轉臂結構拓撲模型進行優化設計時，前提是滿足設計強度，并要有效降低結構的重量，通過變密度法對轉臂結構進行拓撲優化，這樣才能保障車輛結構進行有效優化。

3.高速鋁合金車體優化設計研究。在對結構進行優化設計時，人們通常會想起結構優化模型設計，并運用優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法對結構進行優化，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是最佳的選擇，但是在執行當中卻受很多因素的影響。因此在進行敏度分析時，一定要根據實際情況，選擇最佳的狀態，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，在根據實際經驗，設計出輕量化車體優化方案，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一體化優化設計研究。對于鐵路機車和內燃動車組采油機來說，多數都是利用了廢氣渦輪增壓器進行運作，而現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化，達到增壓器的高壓比、高效率等功能，對于傳統的增壓器來說，增壓器壓氣機葉片靜動一體化優化的設計是更加能夠符合現今社會發展需求。壓氣機葉片是典型的多場藕合問題，其中包含氣動力學、振動力學和結構力學等，因此必須要保障壓氣機氣動性能，保障結構強度和振動特性的約束，從而進行多學科一體化的優化設計工作。“對于增壓器壓氣機葉片靜動態一體化優化設計研究”。首先要對壓氣機葉片進行三維參數化建模，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啟動到結構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特性，從而對葉片結構輕度和振動頻率進行多學科一體化的優化，來實現其增壓器壓氣機葉片靜動態一體化優化設計。

隨著我國對鐵路運輸車輛系統的不斷發展，國家必須要重視車輛結構多層面優化設計工作，并根據其特點和所存在的問題對其進行有效的優化，這樣才能保障鐵路車輛系統發展的，以更好的適應現今社會，良好的推動我國經濟的發展。

參考文獻：

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