動(dòng)車組內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李俊澎

摘要：高速列車內(nèi)端門的強(qiáng)度是車輛設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，直接關(guān)系到車輛的安全運(yùn)行。本文利用Hypermesh軟件對動(dòng)車組內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，然后利用ANSYS軟件對動(dòng)車組內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)在4種工況下通過有限元分析進(jìn)行了靜強(qiáng)度仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示各工況的最大應(yīng)力值均超出其材料的許用應(yīng)力。因此對原模型進(jìn)行方案修改，計(jì)算結(jié)果顯示各個(gè)部件最大應(yīng)力均未超過其對應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度，且安全系數(shù)均大于1。從而得出內(nèi)端門各零部件滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而得出該內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合使用要求。并利用HyperStudy軟件對內(nèi)端門結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的動(dòng)車組一位端內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)不僅使變形變小而且兼顧了輕量化，取得了較好的優(yōu)化效果，為工程設(shè)計(jì)人員的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)工作提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)端門；吊裝結(jié)構(gòu)；有限元分析；尺寸優(yōu)化

中圖分類號：U266 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.06.007

文章編號：1006-0316 （2023） 06-0048-07

Strength Calculation and Optimization Design of Hoisting Structure of

Inner EndDoor of EMU

LI Junpeng

（ College of Locomotive and Rolling Stock Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， China ）

Abstract：The strength of the inner end door of high-speed train is an important part of vehicle design，which is directly related to the safe operation of the vehicle.In this paper， the finite element modeling of the lifting structure of the end door in the EMU is carried out by using Hypermesh software， and then the static strength simulation calculation of the lifting structure of the end door in the EMU is carried out by using ANSYS software under four working conditions. The calculation results show that the maximum stress value of each working condition is beyond the allowable stress of the material. Therefore， the original model was modified， and the calculation results showed that the maximum stress of each component did not exceed the yield strength of the corresponding material， and the safety factor was greater than 1. Thus， it can be concluded that the components of the inner end door meet the design requirements， and then it can be concluded that the strength of the lifting structure of the inner end door meets the use requirements. The size of the inner end door structure is optimized by using HyperStudy software. The calculation results show that the optimized structure of the inner end door of the EMU not only reduces the deformation， but also gives consideration to the lightweight， and obtains a good optimization effect， which provides useful experience for the structural design and improvement of the engineering designers.

Key words：inner door；hoisting structure；finite element analysis；size optimization

鐵路交通是國家的重大基礎(chǔ)設(shè)施，代表了工業(yè)現(xiàn)代化的根基。高速動(dòng)車組因具有時(shí)速快、安全性高、平穩(wěn)性好等諸多優(yōu)勢，成為了世界各國鐵路交通領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)之一[1]，因此動(dòng)車組越來越受到各個(gè)交通運(yùn)輸大國的重視。我國長期以來致力于加快鐵路交通建設(shè)工作，大力推動(dòng)鐵路交通高質(zhì)量、高效率地發(fā)展，經(jīng)過幾次大范圍提速，高速動(dòng)車組的速度現(xiàn)已達(dá)到到350 km/h，并向400 km/h邁進(jìn)。高速動(dòng)車組速度如此之高，因此不能再用以前普通火車的仿真分析方法來對動(dòng)車組相關(guān)模塊評估，需要建立一種更為完善的技術(shù)分析手段。內(nèi)端門是高速動(dòng)車組的重要部件之一，它可以將各車廂連接起來并保持各部分空間相對獨(dú)立，同時(shí)還可以保護(hù)旅客的人身安全[2]。隨著動(dòng)車組性能指標(biāo)不斷提高，對于內(nèi)端門實(shí)用性與可靠性的要求更是不斷提升[3]。

目前，高速鐵路列車的車門種類根據(jù)用途不同分為多種類型。側(cè)門與內(nèi)外端門通常采用電控與手動(dòng)結(jié)合的塞拉門方式。動(dòng)車組內(nèi)端門一般采用單翼內(nèi)藏式塞拉門，不同的車門類型適用于不同尺寸和不同速度等級的動(dòng)車組[4]。奧地利的IFE公司設(shè)計(jì)出了不同類型的內(nèi)外端門門控裝置，廣泛運(yùn)用在高速列車領(lǐng)域[5]。來自德國的克諾爾集團(tuán)（Knorr-Bremse）與來自法國的法維萊公司（FAIVELEY）開始拓展在安全門領(lǐng)域的相關(guān)項(xiàng)目，其產(chǎn)品頗受好評，被世界多國列車采用，如龐巴迪和阿爾斯通等公司的動(dòng)車組內(nèi)端門系統(tǒng)就由這兩家公司進(jìn)行設(shè)計(jì)[6-7]。

目前，針對內(nèi)端門的研究主要有靜強(qiáng)度分析、聯(lián)接螺栓強(qiáng)度分析、自動(dòng)控制領(lǐng)域的分析。當(dāng)前我國針對自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究剛剛起步，我國主要的內(nèi)端門控制設(shè)備制造商為南京的康尼公司，該公司正在研發(fā)基于數(shù)字信號處理器技術(shù)的電子門控器（Electric Dynamic Control Unit），可以有效擺脫國外產(chǎn)品的依賴[8]。在此基礎(chǔ)上，為了提升我國動(dòng)車組制造及研究實(shí)力，同時(shí)還需要結(jié)合國情和鐵路運(yùn)輸實(shí)際情況等對動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理性改造，進(jìn)行完全符合強(qiáng)度及環(huán)境要求且符合新型動(dòng)車組輕量化需求的改進(jìn)并使之實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)量化[9-10]。

本文基于動(dòng)車組內(nèi)端門相關(guān)結(jié)構(gòu)前期研究的基礎(chǔ)，使用Hypermesh軟件建立動(dòng)車組一位端內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的有限元模型、網(wǎng)格劃分、定義材料屬性、加載荷工況；使用ANSYS軟件在不同加速度的工況進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對應(yīng)力較大的危險(xiǎn)位置進(jìn)行評價(jià)；在此基礎(chǔ)上為了滿足其靜強(qiáng)度要求提出針對動(dòng)車組內(nèi)端門結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案；使用HyperStudy軟件對內(nèi)端門結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析以及尺寸優(yōu)化，最終使其達(dá)到輕量化的目的。

1 吊裝結(jié)構(gòu)有限元模型建立

本文采用的動(dòng)車組一位端內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)主要由連接件、吊梁、滑道、門、門機(jī)構(gòu)及聯(lián)接螺栓組成，連接件1由2個(gè)M10螺栓與車頂型材連接、2個(gè)M8螺栓與吊梁連接，連接件2由4個(gè)M10螺栓與車頂型材相連，由4個(gè)M8螺栓與吊梁連接。吊梁與滑道由2個(gè)M8螺栓和3個(gè)M8螺釘連接。內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的材料性能參數(shù)如表1所示。

內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析的有限元模型主要由四節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元和八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元組成，有限元模型的單元總數(shù)為525 969；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為531 854，有限元整體及局部模型如圖1所示。

2 內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

按照EN 12663標(biāo)準(zhǔn)對動(dòng)車組一位端內(nèi)端門結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，施加縱向、橫向、垂向加速度工況，選取其中四個(gè)主要工況，具體數(shù)值如表2所示。

利用ANSYS進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到四個(gè)工況的最大位移均發(fā)生在內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的門扇右端中部，位移值為別為10.749、10.712、10.766、10.696 mm；四個(gè)工況的最大VonMises應(yīng)力值分別為562.48、559.81、580.45、541.80 MPa，均發(fā)生在內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的連接件1與車頂型材連接處。

由此可知各工況的最大應(yīng)力值均超出其材料的許用應(yīng)力。這主要是螺栓單元的簡化以及各工況下較大的縱向加速度造成的，需通過一些優(yōu)化措施改進(jìn)所得結(jié)果，使其強(qiáng)度滿足使用要求。

3 方案修改

根據(jù)內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的初步強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及后續(xù)分析得到的結(jié)論，提出了以下兩種改進(jìn)方案：

（1）四個(gè)工況下的最大應(yīng)力均發(fā)生在連接件1與車頂型材連接處，如圖2所示，由于件1、2、3均與車頂型材連接，連接部分對內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力影響較大，因此決定將連接表面厚度適當(dāng)增加以使應(yīng)力降低。由于連接件1、2的結(jié)構(gòu)和材料完全相同，所以具體措施為將連接件1、2的厚度由5 mm提升至7 mm，將連接件3的厚度由5 mm提升7.5 mm。

（2）由于殼單元和實(shí)體單元的連接問題，即殼單元有六個(gè)自由度，實(shí)體單元有三個(gè)自由度，相交區(qū)域的剛度會(huì)很小，所以考慮滑輪結(jié)構(gòu)與門框的連接作用，修改前滑輪與門框的連接是殼單元與實(shí)體單元連接。修改后將實(shí)體單元?jiǎng)h除并在滑輪結(jié)構(gòu)處添加位移耦合即用剛性單元將滑輪與門框連接，能更直接地表現(xiàn)出各面連接關(guān)系，如圖3所示。重新計(jì)算后仿真結(jié)果如表3和表4所示。

通過結(jié)構(gòu)板厚修改及連接位置有限元模型連接關(guān)系的定義，重新進(jìn)行計(jì)算得到的內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果如下：四個(gè)工況的最大位移分別為9.453、9.444、9.446、9.451 mm，均發(fā)生在內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的門扇右端中部；四個(gè)工況最大應(yīng)力分別為298.207、298.396、309.630、286.974 MPa，均發(fā)生在內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的連接件1與車頂型材連接處。將改進(jìn)后所得結(jié)果與吊裝結(jié)構(gòu)各部件材料的屈服強(qiáng)度比較，結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，各個(gè)部件最大應(yīng)力均未超過其對應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度，且安全系數(shù)均大于1。通過方案修改后的數(shù)值結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）通過添加位移耦合，更加準(zhǔn)確地模擬了內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)承載時(shí)的連接關(guān)系，大大降低了內(nèi)端門承載時(shí)的最大位移，保證了運(yùn)行的安全性。

（2）通過結(jié)構(gòu)尺寸厚度的增加，有效地降低了應(yīng)力最大值，使其更加滿足實(shí)用要求，同時(shí)延長了連接部件的使用壽命。最終得出該內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合使用要求。

4 尺寸優(yōu)化

對內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，目的是在結(jié)構(gòu)輕量化基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)性能。優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 優(yōu)化流程圖

首先對該內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析，主要考察三個(gè)連接件以及吊梁和雙滑道的厚度對整體最大位移、最大應(yīng)力和內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響。

利用HyperStudy中的部分因子法（Fractional Factorial）進(jìn)行優(yōu)化：

（1）首先采用四階分辨率（IV）進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)；然后采用哈默斯利（Hammersley）方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。經(jīng)分析顯示雙滑道的厚度對整體最大位移和應(yīng)力影響程度基本為0，可忽略不計(jì)，故在后續(xù)優(yōu)化中可不將雙滑道厚度作為設(shè)

計(jì)變量；與此同時(shí)，吊梁和三個(gè)連接件的厚度與最大位移和最大應(yīng)力以及內(nèi)端門整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)系均呈正比，說明想要減小內(nèi)端門的最大位移和最大應(yīng)力以及內(nèi)端門整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，只能通過減小吊梁和三個(gè)連接件的厚度來實(shí)現(xiàn)。

（2）進(jìn)行響應(yīng)面擬合，經(jīng)系統(tǒng)快速識別擬合方法為移動(dòng)最小二乘法（Moving Least Squares Method）。將部分因子法作為測試實(shí)驗(yàn)，哈默斯利方法作為輸入實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)診斷，結(jié)果顯示后者的試驗(yàn)點(diǎn)與響應(yīng)面擬合度為99.99%且誤差接近于0，而前者的試驗(yàn)點(diǎn)落在后者的概率為99.97%，證明擬合較為準(zhǔn)確。

（3）建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，本次尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量為三個(gè)連接件的厚度以及吊梁的厚度。約束條件是設(shè)計(jì)變量的上下限和內(nèi)端門結(jié)構(gòu)整體最大位移小于10.4 mm以及整體最大應(yīng)力小于345 MPa，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為：

（1）

（2）

式中：X為設(shè)計(jì)變量矢量，X∈Ω，Ω為設(shè)計(jì)空間；Umax為內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)整體最大位移；δmax為整體最大應(yīng)力；Li為第i個(gè)設(shè)計(jì)變量的厚度；Lmax和Lmin分別為設(shè)計(jì)變量厚度的上下限。

設(shè)計(jì)變量的上下限如表6所示。

優(yōu)化時(shí)采用全局響應(yīng)面法（Global Response Surface Method，GRSM）進(jìn)行迭代計(jì)算，此方法的特點(diǎn)是每次迭代期間，基于響應(yīng)面的優(yōu)化都會(huì)生成一些全局搜索的設(shè)計(jì)點(diǎn)；響應(yīng)面使用新生成的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)的更新，以獲得更好的模型擬合；支持離散優(yōu)化，在一次迭代中生成的設(shè)計(jì)可并行求解。本模型經(jīng)綜合考慮，運(yùn)用全局響應(yīng)面法來進(jìn)行優(yōu)化分析。優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量厚度對比如表7所示，優(yōu)化前后位移應(yīng)力對比如表8所示。

由表7和表8可知，在連接件1、2、3以及吊梁的厚度減小的情況下，內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的最大位移分別有不同程度的增大，并且應(yīng)力也有明顯的增大。各工況位移增大分別為9.6%、9.6%、9.5%和9.6%，各工況應(yīng)力增大分別為10.1%、10.0%、10.0%和10.3%。而質(zhì)量從原來的334.1 kg減小到現(xiàn)在的305.57 kg，下降了8.54%；并且將優(yōu)化后的模型重新進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果與全局響應(yīng)面法優(yōu)化的結(jié)果基本一致，由此可知，優(yōu)化效果良好。而對比最初方案修改前和優(yōu)化后的模型，各工況位移減小分別為3.6%、3.4%、3.9%、3.1%，各工況應(yīng)力減小分別為41.6%、41.4%、41.3%和41.6%。綜上所述，整體優(yōu)化效果良好。

5 結(jié)論

（1）首先通過HyperMesh軟件對動(dòng)車組一位端內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模后，用ANSYS軟件對4個(gè)工況下的內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得知內(nèi)端門的最大Von.Mises應(yīng)力均超過其材料的屈服強(qiáng)度。

（2）對內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，連接件1、2的厚度從原來的5 mm提升至7 mm，連接件3的厚度從原來的5 mm提升至7.5 mm，添加部分連接面的位移耦合，再次進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)各個(gè)部件的最大Von Mises應(yīng)力均未超過其材料的屈服強(qiáng)度，并且安全系數(shù)均大于1，表明內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度符合要求。

（3）利用Hyperstudy軟件對內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析，采用部分因子法和哈默斯利方法進(jìn)行試驗(yàn)，可知雙滑道的厚度對整體的位移和應(yīng)力以及整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響不大，可忽略不計(jì)，只考慮三個(gè)連接件和吊梁的厚度對響應(yīng)的影響。然后運(yùn)用移動(dòng)最小二乘法擬合出的響應(yīng)面，將前者作為測試實(shí)驗(yàn)，后者作為輸入實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行診斷，結(jié)果顯示擬合較為準(zhǔn)確，從而進(jìn)行優(yōu)化。

（4）采用全局響應(yīng)面法對內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，得到的最優(yōu)解為連接件1的厚度為6.057 mm、連接件2的厚度為5.612 mm、連接件3的厚度為6.408 mm、吊梁的厚度為6.401 mm。優(yōu)化后的內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)不但在承載時(shí)使變形減小，而且在滿足強(qiáng)度要求的情況下，還兼顧了輕量化，取得了較好的優(yōu)化效果。為今后內(nèi)端門吊裝結(jié)構(gòu)以及類似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種可借鑒的設(shè)計(jì)思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔令章，李金葉. 高鐵開通、網(wǎng)絡(luò)中心性與旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展[J]. 產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究，2021（5）：113-127.

[2]李洋. 動(dòng)車組電動(dòng)端門優(yōu)化控制技術(shù)研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2021.

[3]肖翔，鄧學(xué)文. 城際動(dòng)車組車門系統(tǒng)介紹與故障分析[J]. 電子世界，2021（10）：81-82.

[4]邵昫. 動(dòng)車組自動(dòng)門控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2010.

[5]王志. 動(dòng)車組內(nèi)端門自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[D]. 青島：青島科技大學(xué)，2018.

[6]趙光波，楊尚平. 城市軌道交通車門的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 流體傳動(dòng)與控制，2008（1）：38-40.

[7]劉志剛，丁朋林，郝長海，等. 自動(dòng)門控制系統(tǒng)[J]. 電子測量技術(shù)，2005（6）：86-87.

[8]黃頌紅，劉菊香. 城市軌道車輛自動(dòng)門系統(tǒng)[J]. 電力機(jī)車技術(shù)，2001，24（4）：27-29.

[9]張文霞. CRH5 動(dòng)車組內(nèi)端墻對車體結(jié)構(gòu)整體承載性能的影響分析及輕量化研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2015.

[10]Van der Gucht W，Vanwalleghem D，Bonne H，et al. Reliability analysis of semi-automatic train door systems in service on today's rolling stock of the SNCB[C]. Ghent University，Laboratory Soet：Sustainable Construction and Design 2011 （SCAD）. 2011（3）：465-475.