城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構架結(jié)構優(yōu)化設計

李宇航 吳斌方 張 貝 張 耀 袁 博

(1.湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢 430068；2.武漢城市職業(yè)學院機電工程學院，湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著地鐵、輕軌和有軌電車等城市軌道交通工具的快速發(fā)展，城市軌道交通工程車成了城市軌道交通運維不可或缺的裝備。對于城市軌道交通工程車而言，構架作為轉(zhuǎn)向架上各零部件的主要支撐件，承受和傳遞來自軌道和車體各個方向的載荷，對車輛的運行安全起著至關重要的作用[1]。現(xiàn)有工程車轉(zhuǎn)向架由于構架和簧下質(zhì)量大，導致輪軌作用力大，影響車輛的運行性能，因此，為了提高工程的作業(yè)效率，獲得良好的動力學性能，保證車輛具有安全穩(wěn)定的運行品質(zhì)，以城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構架為研究對象，對其結(jié)構進行輕量化優(yōu)化設計，使得結(jié)構布置更加合理，材料使用更加充分。

1 構架的結(jié)構

城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構架結(jié)構如圖1所示。轉(zhuǎn)向架構架由2個側(cè)梁和1個橫梁焊接組成[2]。側(cè)梁采用鋼板焊接圍成的箱型梁結(jié)構，以提高側(cè)梁的承載能力；橫梁采用直鋼板箱型梁焊接結(jié)構，兩邊斜對稱分布齒輪箱拉臂座。

圖1 城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構架

2 構架結(jié)構分析

2.1 有限元模型建立

根據(jù)轉(zhuǎn)向架構架的二維圖紙在三維建模軟件SolidWorks中建立構架的三維模型并對其模型進行簡化。簡化過程中去掉了垂向液壓減振器座和連接環(huán)，填補倒角。將模型保存為.x-t格式，然后導入有限元分析軟件中建立有限元模型。

構架的有限元模型中形狀規(guī)則的零件采用六面體網(wǎng)格劃分，不規(guī)則的零件采用四面體網(wǎng)格劃分[2～3]。將模型離散為46710個單元，204398個節(jié)點，如圖2所示。

圖2 構架有限元模型

2.2 材料屬性

由于構架主要由Q345B鋼板焊接而成，此材料的參數(shù)屬性為：彈性模量2.10×1011Pa，泊松比0.274，材料密度7860kg/m3，許用應力313MPa。

2.3 約束條件

構架承受來自車體和軌道各項載荷都要經(jīng)過一系懸掛橡膠彈簧的衰減作用，因此在構架的彈簧座板處所對應X、Y、Z 3個方向的面上添加彈性支撐來模擬真實彈簧變形[4～5]。彈性支撐的基礎剛度值分別為0.044N/mm3、0.072N/mm3、0.34N/mm3。

2.4 有限元分析結(jié)果

轉(zhuǎn)向架構架在轉(zhuǎn)彎工況下應力云圖如3所示，由應力云圖可知，構架所承受的最大應力為199.14Mpa，遠小于構架材料的許用應力313Mpa。轉(zhuǎn)向架構架的質(zhì)量為1075kg，對轉(zhuǎn)向架構架進行輕量化優(yōu)化設計。

圖3 構架應力云圖

3 構架輕量化設計

轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量對車輛的動力學性能有著重要的影響，對構架進行輕量化設計，不僅能提高車輛運行平穩(wěn)性，還可以提高車輛臨界速度和增加通過曲線軌道的靈活性。轉(zhuǎn)向架構架的優(yōu)化設計一般可分為拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化[6]，此次優(yōu)化設計選用尺寸優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)向架構架的板厚達到對轉(zhuǎn)向架構架進行輕量化設計。

3.1 構架優(yōu)化數(shù)學模型

文中選取構架在轉(zhuǎn)彎工況下的強度計算為基礎，在有限元分析軟件中選擇直接優(yōu)化的方式對轉(zhuǎn)向架構架進行優(yōu)化設計。由于構架是采用鋼板焊接而成結(jié)構，因此選取板厚為設計變量，構架質(zhì)量為目標函數(shù)，最大應力值為約束條件，得到構架優(yōu)化設計的數(shù)學模型如式(1)所示。

式中，M(Xi)為構架質(zhì)量；σmax為轉(zhuǎn)彎工況的最大應力值；Xi為構架板厚。

(1)設計變量

本文選取構架側(cè)梁的上蓋板和立板，橫梁的上下蓋板和立板以及制動夾鉗吊座的上下蓋板和立板的板厚作為設計變量。為了保證優(yōu)化后的構架具有足夠的強度，以板厚的±10 %作為設計變量的上下限。具體尺寸如下：橫梁上蓋板16mm、橫梁下蓋板16mm、橫梁立板10mm、側(cè)梁上蓋板16mm、側(cè)梁立板10mm、制動夾鉗吊座上蓋板16mm、制動夾鉗吊座下蓋板20mm、制動夾鉗吊座立板10mm。

(2)目標函數(shù)

對城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構架進行尺寸優(yōu)化的目的是在構架強度滿足要求的前提下減小構架板材厚度，從而減小構架質(zhì)量，達到輕量化設計的目的。

(3)約束條件

城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構架優(yōu)化后，構架側(cè)梁、橫梁和制動夾鉗吊座的板厚減小，構架質(zhì)量也會相應減少，從而增大了構架整體的應力水平。為了保證優(yōu)化后構架的最大應力不超過材料的許用應力，選取載荷工況中應力最大的轉(zhuǎn)彎工況為約束條件[6]。

3.2 構架優(yōu)化結(jié)果

通過有限元分析軟件對城市軌道交通工程車轉(zhuǎn)向架構架進行尺寸優(yōu)化計算，得到構架板厚的優(yōu)化值具有多位有效數(shù)字，考慮到實際生產(chǎn)制造的需要，對優(yōu)化結(jié)果進行調(diào)整。調(diào)整后參數(shù)如表1所示。

表1 構架優(yōu)化前后設計變量值

優(yōu)化結(jié)果表明：構架的質(zhì)量從1075kg減少到1029kg，即構架質(zhì)量減少了4.3%，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架構架的輕量化。

3.3 轉(zhuǎn)向架構架強度校核

通過有限元分析軟件的靜強度計算模塊對構架模型進行計算，可以得到構架在超常載荷工況下的整體應力分布情況和應力最大位置。因車輛在軌道上運行工況較多，文中只對凹、凸曲線軌道等2種超常載荷工況進行計算，應力應變?nèi)鐖D所示。

從應力云圖中可知，轉(zhuǎn)向架在凹、凸曲線軌道上最大應力值分別為208.1MPa、207.92MPa，最大應力位置都在側(cè)梁外側(cè)立板圓弧過渡處，小于材料的許用應力313MPa，因此，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向架構架滿足結(jié)構強度要求。

4 結(jié)語

利用有限元分析軟件對工程車轉(zhuǎn)向架構架進行優(yōu)化設計，得到構架的質(zhì)量為1029kg，相比構架初始質(zhì)量減少了47kg，減重比例達4.3%；將優(yōu)化后的構架模型進行靜強度校核，得到凹、凸曲線軌道上超常載荷工況的最大應力值分別為208.1MPa、207.92MPa，相比優(yōu)化前最大應力值有所增長，但仍然小于材料的許用應力313MPa，滿足設計要求，且達到了轉(zhuǎn)向架構架輕量化設計的目的。

圖4 凸曲線軌道超常載荷工況

圖5 凹曲線軌道超常載荷工況