王萌，孫麗萍，王玉艷，劉新武，趙闊

(大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

為了滿足市域快線“快速、大運(yùn)量、公交化、乘坐舒適”等運(yùn)營(yíng)的需求，要求市域快軌車既具備載客量大、快起快停、快速乘降等地鐵車輛的優(yōu)點(diǎn)[1]，又擁有運(yùn)行速度快、乘坐舒適、性能更安全等高速動(dòng)車組的優(yōu)勢(shì)[2].列車在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向架會(huì)產(chǎn)生劇烈的蛇行運(yùn)動(dòng)，抗蛇行減振器可以提高車輛的安全性和旅客的乘坐舒適度，而抗蛇行減振器座則是連接車體與減振器必不可缺的結(jié)構(gòu)[3].某些快軌車為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將抬車點(diǎn)設(shè)置在抗蛇行減振器座上，來實(shí)現(xiàn)車輛的復(fù)軌及維修工作.同時(shí)該結(jié)構(gòu)也存在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均、材料利用率低、輕量化效果不好等諸多問題，有待改進(jìn).

本文以該市域快軌車的抗蛇行減振器座為研究對(duì)象，在保證車體的靜強(qiáng)度、剛度、疲勞性能前提下，利用尺寸優(yōu)化軟件，盡量降低材料的使用率，從而實(shí)現(xiàn)抗蛇行減振器座的輕量化設(shè)計(jì).

1 抗蛇行減振器座的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本文所研究的對(duì)象是應(yīng)用在某最高運(yùn)行速度可達(dá)160 km/h的市域快軌車的抗蛇行減振器座，4個(gè)相同的結(jié)構(gòu)對(duì)稱地焊接在底架邊梁內(nèi)側(cè)，同時(shí)局部結(jié)構(gòu)也采用焊接方式與枕梁相連接，具體如圖1所示.該結(jié)構(gòu)的作用主要是連接車體與抗蛇行減振器，對(duì)于某些軌道車輛還將抬車點(diǎn)設(shè)置在該結(jié)構(gòu)上.

圖1 抗蛇行減振器座位置

該結(jié)構(gòu)采用鋁合金中空擠壓技術(shù)制造成一體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其斷面圖及結(jié)構(gòu)中每塊板的編號(hào)如圖3所示，其中4、12號(hào)板厚度為26 mm，3號(hào)板為24 mm，2號(hào)板為12 mm，其余板厚度均為8 mm.

圖2 抗蛇行減振器座結(jié)構(gòu)

圖3 抗蛇行減振器座斷面圖

2 抗蛇行減振器座的靜強(qiáng)度分析

2.1 計(jì)算模型的建立

利用HyperWorks仿真軟件，以15 mm的殼單元對(duì)該快軌車車體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整車共劃分約505萬個(gè)單元，約462萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，4個(gè)抗蛇行減振器座采用剛性桿單元模擬與車體底架邊梁的焊接關(guān)系，共劃分820個(gè)剛性桿單元.圖4為該結(jié)構(gòu)的有限元模型.共劃分10 606個(gè)單元，11 069個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖4 抗蛇行減振器座的有限元模型

2.2 計(jì)算工況

依據(jù)《EN12663：2010 鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》及設(shè)計(jì)任務(wù)書要求對(duì)該快軌車車體進(jìn)行兩種工況下的尺寸優(yōu)化分析：

工況1：三點(diǎn)支撐工況，在座2、3、4上施加垂向固定位移約束，在座1上施加垂直向下10 mm的位移約束，載荷大小為1.1倍(車體自重+兩個(gè)轉(zhuǎn)向架重量).

工況2：抗蛇行工況，該工況下車體的約束施加在底架的四個(gè)空氣彈簧部位上，載荷施加除了車體自重及超員載客重量外還對(duì)每個(gè)抗蛇形減振器座的螺栓孔施加±30 kN縱向力，該±30 kN力主要模擬減振器的拉伸與壓縮狀況.

2.3 靜強(qiáng)度計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，在最大垂載、1.3倍最大垂載、空載拉伸與壓縮、超員拉伸與壓縮、3個(gè)不同位置的端墻區(qū)壓縮、一端抬車、兩端抬車、三點(diǎn)支撐這12個(gè)工況下，車輛各部分結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范中規(guī)定車體結(jié)構(gòu)各部位的許用應(yīng)力與計(jì)算所得應(yīng)力的比值應(yīng)大于或等于S1(S1=1.15)的要求，車輛滿足使用要求.而在三點(diǎn)支撐工況下，車體一位端的抗蛇行減振器座1出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為109.1 MPa，該結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力為205 MPa.抗蛇行工況下該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為26.5 MPa，螺栓孔附近的VonMises應(yīng)力為14.1 MPa，而螺栓孔附近材料的許用應(yīng)力為120 MPa.這兩種工況下抗蛇行減振器座強(qiáng)度有較大余量，可對(duì)其進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量達(dá)到最小.

3 抗蛇行減振器座的尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是OptiStruct中提供的一種高效的優(yōu)化方法，是設(shè)計(jì)人員對(duì)模型形狀有了一定的形狀設(shè)計(jì)思路后所進(jìn)行的一種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，主要是通過改變結(jié)構(gòu)單元的屬性來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-5].優(yōu)化過程則可以在滿足相應(yīng)規(guī)范條件下使結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更均勻、盡量提高材料利用率，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)[6].本文主要利用該軟件實(shí)現(xiàn)抗蛇行減振器座兩種工況下的尺寸優(yōu)化分析.

3.1 尺寸優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

依據(jù)抗蛇行減振器座結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析結(jié)果，并考慮該結(jié)構(gòu)與車體的連接關(guān)系，對(duì)抗蛇行減振器座不同厚度板進(jìn)行兩種工況下的尺寸優(yōu)化.均以該結(jié)構(gòu)的體積最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型如下所示：

Minisize:f(X)=f(x1,x2,…,xn).

Subject:gj(X)≤0,j=1,…,p.

hk(X)=0,k=1,…,q.

4個(gè)抗蛇行減振器座結(jié)構(gòu)存在厚度梯度，分別定義設(shè)計(jì)變量X=(x1,x2,…,xn)，兩個(gè)工況下不同厚度板的上下限值均如表1所示.

該抗蛇行安裝座的材料為6A01-T5，彈性模量E=6.9×104MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=2.7×103kg/m3，母材的許用應(yīng)力為205 MPa，焊接區(qū)材料的許用應(yīng)力為120 MPa.優(yōu)化過程中對(duì)抗蛇行減振器座進(jìn)行應(yīng)力約束,當(dāng)仿真過程中抗蛇行減振器座結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力小于等于該材料的許用應(yīng)力時(shí)，才能滿足強(qiáng)度要求.

表1設(shè)計(jì)變量上、下限值mm

板的厚度變量上限xUi變量下限xLi883121232424426264

3.2 尺寸優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果表明，4個(gè)抗蛇行減振器座在工況1下，經(jīng)10次迭代，在第6次迭代目標(biāo)函數(shù)接近收斂，收斂曲線如圖5所示，該曲線可以清楚地看出每次迭代后該結(jié)構(gòu)的體積變化情況.表2為該工況下抗蛇行減振器座板的厚度變化、最大垂向位移、應(yīng)力分布、減重率，優(yōu)化后該結(jié)構(gòu)最大減重197.42 kg，可以明顯減少生產(chǎn)該結(jié)構(gòu)所需要的材料.

圖5 工況1目標(biāo)函數(shù)迭代曲線

表2 工況1抗蛇行減振器座優(yōu)化過程相關(guān)參數(shù)

圖6則為該結(jié)構(gòu)在工況2下的目標(biāo)函數(shù)迭代曲線，表3為該工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中相關(guān)參數(shù)的變化情況，從表中數(shù)據(jù)可以看出，該結(jié)構(gòu)最大減重量為214.64 kg.與工況1相比，每個(gè)抗蛇行減振器座還可減重4.305 kg，輕量化效果更明顯.

圖6 工況2目標(biāo)函數(shù)迭代曲線

表3 工況2抗蛇行減振器座優(yōu)化過程相關(guān)參數(shù)

3.2.1 尺寸優(yōu)化過程中靜強(qiáng)度變化

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在工況1下優(yōu)化后，最大應(yīng)力點(diǎn)在一位端側(cè)的抗蛇行安裝座1上，最大應(yīng)力點(diǎn)的位置如圖7所示.而在工況2下優(yōu)化后應(yīng)力集中主要在與抗蛇行減振器相連接的四個(gè)螺栓孔附近，具體如圖8所示.在整個(gè)優(yōu)化過程中，兩種優(yōu)化結(jié)果，抗蛇行減振器座的局部最大VonMises應(yīng)力均逐漸增大，但未超過該結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力.同時(shí)表2和表3也列出每一次迭代后該結(jié)構(gòu)的最大VonMises應(yīng)力數(shù)值.

圖7 工況1最大應(yīng)力分布

圖8 工況2最大應(yīng)力分布

3.2.2 尺寸優(yōu)化過程中剛度變化

分別計(jì)算優(yōu)化后該抗蛇行減振器座的剛度變化情況，結(jié)果表明，在工況1下，優(yōu)化收斂后該結(jié)構(gòu)的最大垂向位移為10.66 mm，原始結(jié)構(gòu)最大垂向位移10.46 mm，最大垂向位移增大了1.9%，具體數(shù)值如表2所示.而在工況2下，分別計(jì)算了該結(jié)構(gòu)的最大垂向位移及縱向位移，具體數(shù)值如表3所示，表中數(shù)據(jù)表明該結(jié)構(gòu)的剛度保持不變，縱向位移變化不大，幾乎接近原始值.在這兩種工況下剛度均滿足車輛設(shè)計(jì)要求.

3.3 車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、剛度及疲勞校核

3.3.1 車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度校核

分別對(duì)兩種工況優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，賦予抗蛇行減振器座每塊板最終優(yōu)化結(jié)果的厚度，對(duì)整車進(jìn)行了 12種工況的靜強(qiáng)度校核分析，經(jīng)計(jì)算校核，車體各部件的最大 VonMises應(yīng)力均不大于車體該部位所用材料的許用應(yīng)力，該快軌車車體結(jié)構(gòu)中每一部分均滿足靜強(qiáng)度要求.

3.3.2 車體結(jié)構(gòu)剛度校核

對(duì)整車剛度進(jìn)行校核，在最大垂載工況作用下，優(yōu)化前后整車車體底架邊梁中央斷面相對(duì)枕梁處的相對(duì)垂直撓度均為 9.4 mm.結(jié)果表明整車剛度滿足使用要求 .

3.3.3 車體結(jié)構(gòu)局部疲勞校核

優(yōu)化后對(duì)4個(gè)抗蛇行減振器座與邊梁連接位置進(jìn)行疲勞校核，校核計(jì)算結(jié)果表明該處疲勞強(qiáng)度滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求.優(yōu)化后該結(jié)構(gòu)滿足車輛設(shè)計(jì)任務(wù)書中的疲勞強(qiáng)度要求.

4 結(jié)論

本文主要選取兩種工況對(duì)快軌車上的抗蛇行減振器座進(jìn)行尺寸優(yōu)化，并校核優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果，車體的靜強(qiáng)度、剛度和疲勞性能均滿足要求.通過優(yōu)化結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)此類抗蛇行減振器座既被用于連接減振器又作為抬車點(diǎn)時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中可將原始結(jié)構(gòu)中8 mm板減薄至3.0 mm，12 mm板減薄至3.0mm，24 mm板減薄至5.3 mm，26 mm板減薄至9.0 mm，每輛該類型的快軌車的4個(gè)抗蛇行減振器座可減重197.29 kg.

(2)此類抗蛇行減振器座在車體上僅用于連接減振器，車體結(jié)構(gòu)中有獨(dú)立的抬車點(diǎn)時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中可將原始結(jié)構(gòu)中8 mm板減薄至3.0 mm，12mm板減薄至3.0 mm，24 mm板減薄至4.6mm，26 mm板減薄至5.0 mm，每輛該類型的快軌車4個(gè)抗蛇行減振器座可減重214.43 kg.明顯減少生產(chǎn)該類型車抗蛇行減振器座的制造成本.