軌道扣件彈性墊板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱泓吉+卜繼玲+王永冠+龍騰蛟

摘要： 采用OptiStruct對(duì)某型鐵路扣件軌下墊板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和自由形狀優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)墊板結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì).根據(jù)優(yōu)化空間最大化原則，對(duì)垂向載荷工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化、對(duì)極限載荷工況進(jìn)行自由形狀優(yōu)化.使用Abaqus極限載荷扣件系統(tǒng)仿真模型對(duì)優(yōu)化后墊板結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià).結(jié)果表明：優(yōu)化后的墊板性能基本不變，質(zhì)量減少約10%，剛度滿足設(shè)計(jì)要求.優(yōu)化結(jié)果可為墊板輕量化設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞： 軌道； 彈性墊板； 輕量化設(shè)計(jì)； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 拓?fù)鋬?yōu)化； 自由形狀優(yōu)化

中圖分類號(hào)： U213.532； TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0 引 言

隨著我國鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，車輛軸重的增加對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響越來越突出，輪軌間的動(dòng)態(tài)效應(yīng)對(duì)軌下基礎(chǔ)的破壞越來越明顯，線路養(yǎng)護(hù)和維修更加頻繁，軌道扣件彈性支撐層對(duì)軌道平順性的保護(hù)也變得越來越重要.本文利用虛擬仿真技術(shù)，對(duì)某型鐵路扣件軌下彈性墊板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，在保證墊板性能的前提下，通過對(duì)墊板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善墊板結(jié)構(gòu)受力，減少墊板使用材料，提高安全效益和經(jīng)濟(jì)效益，為軌下墊板輕量化設(shè)計(jì)提供參考.

1 墊板有限元建模和靜態(tài)特性分析

1.1 有限元模型建立

扣件系統(tǒng)由多個(gè)零部件組裝而成，其作用是固定鋼軌在正確位置，防止鋼軌的橫向和縱向位移，防止鋼軌傾翻，提供適量的彈性并將鋼軌所受的力傳遞給軌枕或道床承軌臺(tái).[1]在建立扣件有限元模型時(shí)，適當(dāng)簡化模型以減輕工作量，方便優(yōu)化計(jì)算.利用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中墊板使用材料為熱塑性彈性體，材料參數(shù)擬合后呈線彈性.因此，采用8節(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8模擬，網(wǎng)格數(shù)量為787 424個(gè).1/4有限元模型見圖1.

1.2 邊界條件及材料屬性

在有限元分析中，將上工裝上表面節(jié)點(diǎn)與載荷施加點(diǎn)用RBE2單元進(jìn)行連接，固定下工裝和上工裝橫向自由度，在載荷施加點(diǎn)施加載荷F.在靜剛度試驗(yàn)中，墊板計(jì)算結(jié)果取加載0～100 kN垂向載荷時(shí)20～90 kN的割線剛度作為彈性墊板靜剛度.由于載荷和邊界條件的對(duì)稱性，只取模型的1/4進(jìn)行仿真計(jì)算，x與z兩平面對(duì)稱，底面固定約束，施加垂向載荷22.5 kN，見圖2.

在極限疲勞載荷扣件系統(tǒng)中，墊板載荷方向與垂向成38°，大小為114 kN，即墊板承受90.00 kN垂向載荷和70.32 kN橫向載荷，根據(jù)對(duì)稱性，取扣件系統(tǒng)的1/2模型進(jìn)行計(jì)算，底面固定約束，見圖3.

1.3 設(shè)計(jì)要求與結(jié)構(gòu)分析

對(duì)原始?jí)|板結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜剛度仿真分析（90 kN垂向載荷），墊板的應(yīng)力、位移分布見圖4.軌下彈性墊板的材料為某彈性體，靜剛度要求為50±10 kN/mm，而原始結(jié)構(gòu)墊板靜剛度為66.91 kN/mm，最大應(yīng)力40.98 MPa，體積約為6×104 mm3，靜剛度顯然不符合設(shè)計(jì)要求.由圖4可知，墊板受力不均勻，存在部分“不受力”區(qū)域，沒有實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)理念，因此有必要對(duì)墊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)使其滿足設(shè)計(jì)要求，減少制造材料，提高經(jīng)濟(jì)效益.

2 優(yōu)化分析

拓?fù)鋬?yōu)化是設(shè)計(jì)域材料分布的優(yōu)化.將有限元模型設(shè)計(jì)空間每個(gè)單元的單元密度（Density）作為設(shè)計(jì)變量，保留重要區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì).[2]在拓?fù)鋬?yōu)化中，每個(gè)單元的密度值應(yīng)取為0或1，單元分別定義為空或?qū)嶓w.[3]

形狀優(yōu)化將設(shè)計(jì)空間分成若干控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的形狀簡化為關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)的位置.移動(dòng)這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，邊界形狀產(chǎn)生變化，從而得到更為細(xì)致、合理的幾何形狀.[4-6]

基于輕量化目的，采用拓?fù)鋬?yōu)化得到最佳的材料分布，結(jié)合自由形狀優(yōu)化確定結(jié)構(gòu)最優(yōu)形面，在保證墊板承載性能的前提下，改善結(jié)構(gòu)受力，減少使用墊板材料.[7]

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化

在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前，首先要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定義結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)所需要滿足的功能選擇合適的約束和目標(biāo)函數(shù).為盡可能利用現(xiàn)有模具、減少制造費(fèi)用，選擇將凸臺(tái)作為非設(shè)計(jì)區(qū)域.加強(qiáng)筋拓?fù)鋬?yōu)化沒有實(shí)質(zhì)含義，因此不作為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域，后續(xù)的形狀優(yōu)化也能影響加強(qiáng)筋的“存亡”.根據(jù)彈性墊板的結(jié)構(gòu)特征、有限元分析結(jié)果及以上條件，在HyperMesh中將有限元網(wǎng)格分成設(shè)計(jì)區(qū)域（淺色）和非設(shè)計(jì)區(qū)域（深色），見圖5.

在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中約束垂向位移，設(shè)計(jì)變量為單元密度，目標(biāo)函數(shù)為墊板體積最小.設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后提交OptiStruct對(duì)垂向載荷工況的墊板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，優(yōu)化后墊板的單元密度云圖見圖6.

拓?fù)鋬?yōu)化后墊板靜剛度為57.69 kN/mm，最大應(yīng)力為44.44 MPa，體積約為4.28×104 mm3.墊板最大應(yīng)力稍有增大，靜剛度滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)力和位移分布見圖7.由于墊板在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)被置于極限載荷工況下，過多的去除材料會(huì)大幅降低墊板剛度，反而不能滿足工作要求，因此還要對(duì)極限載荷工況下的墊板凹槽和加強(qiáng)筋進(jìn)行自由形狀優(yōu)化.

2.2 自由形狀優(yōu)化

自由形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為凹槽和加強(qiáng)筋表面節(jié)點(diǎn)的線性擾動(dòng)，設(shè)置位移約束、應(yīng)力約束和對(duì)稱約束，目標(biāo)函數(shù)為最小體積.經(jīng)過6次迭代，形狀變化云圖見圖8.考慮到制造約束和制造成本，分別對(duì)加強(qiáng)筋尺寸和凹槽尺寸進(jìn)行統(tǒng)一修正.自由形狀優(yōu)化后墊板靜剛度為57.75 kN/mm，最大應(yīng)力為40.52 MPa，體積約為5.4×104 mm3，自由形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)模型應(yīng)力位移云圖見圖9.

2.3 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

作為線彈性材料，熱塑性彈性體存在一定的塑性，但此處扣件系統(tǒng)中分析所得到的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值僅為對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后提供對(duì)比而使用.將優(yōu)化前后墊板模型置入Abaqus中建立極限載荷扣件系統(tǒng)仿真模型，得到優(yōu)化前后墊板應(yīng)力應(yīng)變云圖見圖10和11.通過前述分析可知墊板優(yōu)化前、后在極限載荷扣件系統(tǒng)中性能相近，見表1.由此可以看出：在相同性能下，優(yōu)化設(shè)計(jì)模型體積較以前減輕約10%，靜剛度為57.75 kN/mm，滿足設(shè)計(jì)要求（50±10 kN/mm），達(dá)到輕量化目的.

3 結(jié) 論

通過分析校核—優(yōu)化分析設(shè)計(jì)—再次分析校核的“循環(huán)式”方法對(duì)彈性墊板進(jìn)行分析，最終得到較原結(jié)構(gòu)更為合理的設(shè)計(jì)方案，墊板體積減小約10%，同時(shí)滿足剛度要求.拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合自由形狀優(yōu)化的方法比以往的“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”降低人工工作量，在扣件零件的輕量化設(shè)計(jì)中具有理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1]

于春華. 城市軌道交通軌道扣件綜述[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)， 2003， 20（3）： 31-33. DOI： 10.3969/j.issn.1006-2106.2003.03.009.

YU C H. Track fastener of urban rail transit[J]. Journal of Railway Engineering Society， 2003， 20（3）： 31-33. DOI： 10.3969/j.issn.1006-2106.2003.03.009.

[2] 洪清泉， 趙康， 張攀. OptiStruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2013.

[3] 周云平， 許健， 劉承科. 摩托車座墊底板剛度有限元分析[C]// 2007年MSC Software中國用戶論文集. 北京， 2007.

[4] 李民， 舒歌群， 衛(wèi)海橋. 基于拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化的低噪聲齒輪室罩蓋設(shè)計(jì)[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2008， 29（6）： 55-59. DOI： 10.3969/j.issn.1000-0925.2008.06.013.

LI M， SHU G Q， WEI H Q. Design of a low noise engine gear cover based on topology and shape optimization[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2008， 29（6）： 55-59. DOI： 10.3969/j.issn.1000-0925.2008.06.013.

[5] 郭中澤， 張衛(wèi)紅， 陳裕澤. 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)綜述[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2007， 24（8）： 1-6. DOI： 10.3969/j.issn.1001-2354.2007.08.001.

GUO Z Z， ZHANG W H ， CHEN Y Z. An overview on the topological optimization design of structures[J]. Journal of Machine Design， 2007， 24（8）： 1-6. DOI： 10.3969/j.issn.1001-2354.2007.08.001.

[6] 朱燈林， 陳俊偉， 俞潔， 等. 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化， 2005， 34（6）： 7-11. DOI： 10.3969/j.issn.1671-5276.2005.06.003.

ZHU D L， CHEN J W， YU J， et al. Developments of structural topology design and it's application in structural design[J]. Machine Building & Automation， 2005， 34（ 6） ： 7-11. DOI： 10.3969/j.issn.1671-5276.2005.06.003.

[7] 曾晶晶， 卜繼玲， 劉建勛. 轉(zhuǎn)向架齒輪箱吊桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2013， 22（2）： 27-30. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2013.02.006.

ZENG J J， BU J L， LIU J X. Optimization design of bogie gear box suspender[J]. Computer Aided Engineering， 2013， 22（2）： 27-30. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2013.02.006.