節(jié)能降耗大趨勢下的日本鐵路車輛結(jié)構(gòu)減重設(shè)計

1 引言

隨著技術(shù)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(shè)備的安裝和碰撞安全設(shè)計的引入，車輛重量會隨之增加，這導(dǎo)致車輛在行駛過程中的能源消耗也相應(yīng)加大。因此，從節(jié)能降耗的角度出發(fā)，完善車輛的減重設(shè)計成為重要課題。其中，對車輛結(jié)構(gòu)進行有效減重是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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

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

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化法概述

結(jié)構(gòu)優(yōu)化法是通過解析既往結(jié)構(gòu)以得到滿足目前設(shè)計要求的形狀的方法，主要分為拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化2類。拓?fù)鋬?yōu)化是通過計算載荷對初始結(jié)構(gòu)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(gòu)件材料以實現(xiàn)材料分布優(yōu)化的方法，其適用于結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計階段（圖1a）。形狀優(yōu)化是指以限制待優(yōu)化結(jié)構(gòu)在載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力強弱和形變大小為前提，從減重最大化的目標(biāo)出發(fā)，通過擴大/縮小其構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀的方法得到最合適的結(jié)構(gòu)形狀，其為一種形狀算法，適用于結(jié)構(gòu)的形狀設(shè)計階段（圖1b）。在優(yōu)化過程中，質(zhì)量、應(yīng)力、剛度等數(shù)據(jù)會被定義為各種目標(biāo)函數(shù)，可通過計算其最小值或最大值獲得優(yōu)化結(jié)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(guān)參數(shù)不超過規(guī)定限值，滿足設(shè)計條件。由于這些目標(biāo)函數(shù)和約束可以同時設(shè)置多個條件，所以優(yōu)化的自由度很高，可以推導(dǎo)出不拘泥于傳統(tǒng)概念的結(jié)構(gòu)形式。

需要注意的是，如果沒有適當(dāng)邊界條件的約束，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化法得到的結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下是無法加工制造或在功能上不符合設(shè)計要求的。因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，設(shè)置相關(guān)的邊界條件和基本參數(shù)（如防止應(yīng)力、剛度等物理量超過規(guī)定值的基本邊界約束條件）至關(guān)重要。為保證基于骨架結(jié)構(gòu)的鐵路車輛在減重優(yōu)化后的可制造性，可設(shè)置如下限制條件（圖2）：①限制設(shè)計優(yōu)化區(qū)域，即在保持原始基本形狀的前提下設(shè)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(shè)置脫模限制條件，即設(shè)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(yīng)相同。

圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化時的可制造性約束條件

3 車輛結(jié)構(gòu)減重

由于鐵路車輛是大型結(jié)構(gòu)體，其運行時的實際運動比較復(fù)雜，因此僅針對車輛結(jié)構(gòu)建立的模型不足以用來評估載荷傳遞路徑和應(yīng)力情況。此外，鑒于車體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，由梁、柱等諸多形狀相同的構(gòu)件構(gòu)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(gòu)件中承受載荷最大者為標(biāo)準(zhǔn)，制造出符合要求、具有足夠強度的輕量化構(gòu)件，則可認(rèn)為其適用于其他同樣形狀的部位。基于上述原因，鐵道綜研提出了利用拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化相結(jié)合的方法對主體為骨架結(jié)構(gòu)的鐵路車輛進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案。

首先，計算出需對待優(yōu)化構(gòu)件施加的載荷等，并參照以往車輛結(jié)構(gòu)的解析模型（單車模型）進行應(yīng)力分析。為此，研究人員根據(jù)日本產(chǎn)業(yè)規(guī)格（JIS）標(biāo)準(zhǔn)進行車體結(jié)構(gòu)載荷測試，計算產(chǎn)生的應(yīng)力（圖3），并根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果抽選應(yīng)力最大的構(gòu)件，將該構(gòu)件所承受的載荷設(shè)定為結(jié)構(gòu)優(yōu)化時的載荷條件。

圖3 既有車輛結(jié)構(gòu)在車體結(jié)構(gòu)載荷測試標(biāo)準(zhǔn)條件下的應(yīng)力云圖（單位：MPa）

接著，通過拓?fù)鋬?yōu)化求出各構(gòu)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(gòu)件重量，并導(dǎo)出輕量化的結(jié)構(gòu)。

圖4展示了對車輛地板構(gòu)件——橫梁進行結(jié)構(gòu)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(yīng)力小于限制標(biāo)準(zhǔn)值。

按照上述步驟，研究人員對圖5所示的構(gòu)件進行了結(jié)構(gòu)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(gòu)件優(yōu)化前后的形狀對比。側(cè)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(shè)置了可制造性約束條件，其可被加工制造和實際使用；側(cè)梁的梁體在優(yōu)化前通常不開洞，但優(yōu)化后其側(cè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化流程

圖5 實施結(jié)構(gòu)優(yōu)化的構(gòu)件

圖6 減重優(yōu)化后的構(gòu)件結(jié)構(gòu)

表1展示了各構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的減重效果。由表可知，相較于優(yōu)化前，各構(gòu)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(dá)到29.4%。若使用這些減重后的構(gòu)件，整個車體重量可減輕約 7%。

表1 各構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的減重效果 %

4 減重后車輛結(jié)構(gòu)性能驗證

為對減重后的構(gòu)件以及使用這些構(gòu)件的車輛結(jié)構(gòu)性能和強度進行驗證，研究人員制作了減重后車輛結(jié)構(gòu)分析模型，通過應(yīng)力分析了解各構(gòu)件的應(yīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化時相同。圖7展示了減重后車輛結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(yīng)力變大，但在數(shù)值上差異甚小，而且各構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力均未超過載荷強度標(biāo)準(zhǔn)限值。雖然某些構(gòu)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(jié)構(gòu)在車體結(jié)構(gòu)載荷測試標(biāo)準(zhǔn)條件下的應(yīng)力云圖（單位：MPa）

為驗證車體的彎曲剛度，研究人員進行了轉(zhuǎn)向架安裝座在測試載荷下的垂向位移計算（由剛度標(biāo)準(zhǔn)值求出的最大位移值為 1.0 mm），圖8展示了相關(guān)計算結(jié)果。由圖可知，雖然轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的垂向剛度仍能夠滿足JIS規(guī)定的剛度標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（圖9），用于結(jié)構(gòu)強度驗證。車體結(jié)構(gòu)載荷測試依據(jù)JIS規(guī)定的條件實施，測試結(jié)果證明在設(shè)定的 170 個應(yīng)力測量點中，沒有任何一個測量點的應(yīng)力實測值超過規(guī)范要求。

圖9 用于結(jié)構(gòu)強度驗證的試驗車體結(jié)構(gòu)

綜上所述，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的減重后車輛結(jié)構(gòu)性能和強度均符合JIS的要求。