鐵路車輛結(jié)構(gòu)多層面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究及典型運(yùn)用

王超 侯鵬

[摘 要]我國(guó)的經(jīng)濟(jì)如今正處于一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期，在這個(gè)背景之下，我國(guó)鐵路運(yùn)輸也朝著重載化和高速的方向發(fā)展，在這種情況下，我國(guó)的鐵道車輛行業(yè)得到了前所未有的發(fā)展的機(jī)遇以及所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，對(duì)于車輛的結(jié)構(gòu)多層面設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，雖然我國(guó)的鐵路車輛在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，借鑒了其他外國(guó)的一些領(lǐng)先的技術(shù)，同時(shí)也采用了一些我國(guó)之前積累下來(lái)的許多比較成熟的技術(shù)，但是我國(guó)的鐵路車輛結(jié)構(gòu)與外國(guó)相比仍然存在著很大的不足，所以本篇文章主要闡述的便是鐵路車輛結(jié)構(gòu)多層面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究以及典型運(yùn)用。

[關(guān)鍵詞]鐵路車輛 結(jié)構(gòu)多層面優(yōu)化設(shè)計(jì) 典型運(yùn)用

中圖分類號(hào)：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）27-0290-01

鐵路的修建在很大程度上促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，甚至可以說(shuō)，鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)脈，只有建設(shè)好鐵路，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和人們的生活水平才能在本質(zhì)上有很大的提升，鐵路車輛在鐵路運(yùn)輸中是直接載運(yùn)乘客和貨物的出行手段，所以我們必須建設(shè)，品種齊全，數(shù)量足夠，以及質(zhì)量?jī)?yōu)異的各種鐵路車輛，因此在本篇文章中首先介紹了我國(guó)鐵路車輛的發(fā)展現(xiàn)狀，之后又對(duì)車輛結(jié)構(gòu)多層面優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，最后還介紹了鐵路車輛的典型應(yīng)用。

一、我國(guó)鐵路車輛發(fā)展的現(xiàn)狀

近幾年，我國(guó)鐵路車輛行業(yè)已經(jīng)取得了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。2006年10月26日，鐵路“十一五”規(guī)劃正式發(fā)布，規(guī)劃提出，未來(lái)五年中國(guó)將加快鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，改善道路網(wǎng)交通的能力，同時(shí)提高鐵路的自主創(chuàng)新能力，加快鐵路設(shè)備的現(xiàn)代化技術(shù)。鐵路是一個(gè)重要的現(xiàn)代化的象征，要想加快鐵路現(xiàn)代化建設(shè)，鐵道部提出了使用“先進(jìn)、成熟、經(jīng)濟(jì)、適用、可靠”的技術(shù)政策和實(shí)施“標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、信息化”的要求，確定立足點(diǎn)定位系統(tǒng)，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)自主創(chuàng)新，加快現(xiàn)代化提，同時(shí)也對(duì)高速的鐵路的升級(jí)提出了具體要求：（1）研究和開發(fā)的200多公里每小時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合少量的動(dòng)車的引進(jìn)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)超過(guò)每小時(shí)200公里，積極推動(dòng)300公里/小時(shí)以上驅(qū)動(dòng)鐵路關(guān)鍵技術(shù)的形成和發(fā)展，形成高速鐵路國(guó)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施的制造、維護(hù)和運(yùn)行系統(tǒng)。在2010年，客車分配大約有1000列。（2）開發(fā)滿足不同乘客水平需求和不同應(yīng)用條件的新型客車。2010年，乘用車的擁有率達(dá)到50000輛，提高客車整體技術(shù)水平。除此之外我們將提高卡車速度，卡車載重以及安全性、可靠性放在首位，積極開發(fā)23噸輪軸卡車和一種最高時(shí)速120公里的新型通用貨車。為了不同的應(yīng)用，我們開發(fā)一輛160km/h的卡車，還要積極發(fā)展煤炭運(yùn)輸、集裝箱運(yùn)輸、特種貨物運(yùn)輸?shù)忍厥膺\(yùn)輸工具。到2010可以看出，卡車已經(jīng)達(dá)到700000輛汽車，無(wú)論從國(guó)外鐵路的大發(fā)展趨勢(shì)，或從的角度來(lái)看-國(guó)家“十一五”計(jì)劃的發(fā)展規(guī)劃，鐵路將進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，在這種情況下鐵路必須有更好更新的鐵路。

二、優(yōu)化結(jié)構(gòu)算法

2.1修正可行方向法（MMFD）

修正的可行方向法是可行方向法的改進(jìn)，是求解約束優(yōu)化問(wèn)題的直接數(shù)值優(yōu)化方法。改進(jìn)的可行方向法克服了不能處理含有等式約束的優(yōu)化問(wèn)題的可行方向法的缺點(diǎn)，可以處理包含等式約束和不等式約束的非線性優(yōu)化問(wèn)題。該方法繼承了可行方向法的優(yōu)點(diǎn)，能快速獲得最優(yōu)解，效率高，同時(shí)對(duì)問(wèn)題具有較好的適應(yīng)性，滿足所有約束條件都是非常準(zhǔn)確的。改進(jìn)的可行方向法的優(yōu)化過(guò)程的過(guò)程中，如果沒(méi)有約束作用或沖突，我們利用變量梯度法的無(wú)約束優(yōu)化方法來(lái)確定迭代的搜索方向，其他的情況則用修改的可行方向進(jìn)行優(yōu)化迭代。

2.2可行方向法（MFD）

可行方向法是一種直接的數(shù)值優(yōu)化方法來(lái)解決約束優(yōu)化問(wèn)題，它可以直接設(shè)計(jì)非線性空間的搜索，其基本思想是：在約束區(qū)域，根據(jù)設(shè)計(jì)空間的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，“地勢(shì)”信息的位置，不斷尋求目標(biāo)函數(shù)值的方向，為了探索和優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)。算法的關(guān)鍵步驟是選擇搜索方向，并確定沿該方向移動(dòng)的步驟，該方法的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它可以同時(shí)處理各種約束優(yōu)化問(wèn)題的特點(diǎn)，對(duì)問(wèn)題具有較好的適應(yīng)性，滿足所有的約束條件都是非常準(zhǔn)確的?？尚蟹较蚍ǖ牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以降低目標(biāo)函數(shù)的值，同時(shí)保持理解的可行性。得到的解決方案始終在可行域內(nèi)，搜索效率高，可行方向法的缺點(diǎn)是它不能處理包含等式約束的優(yōu)化問(wèn)題。

2.3序列線性規(guī)劃法（SLP）

序列線性規(guī)劃方法是一種約束優(yōu)化問(wèn)題的求解方法，其基本思想是：首先，將初始設(shè)計(jì)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件除一級(jí)泰勒級(jí)數(shù)展開，將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問(wèn)題。然后用線性規(guī)劃問(wèn)題的解來(lái)解決問(wèn)題，得到新的設(shè)計(jì)點(diǎn)x，總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)新的設(shè)計(jì)點(diǎn)X更接近原始問(wèn)題的最優(yōu)解，而不是原來(lái)的設(shè)計(jì)點(diǎn)Xo。迭代的下一個(gè)步驟，在X '與一階泰勒級(jí)數(shù)展開的初始問(wèn)題，一直重復(fù)，近似非線性規(guī)劃問(wèn)題用線性規(guī)劃來(lái)進(jìn)行解決，每一次迭代得到新的設(shè)計(jì)點(diǎn)比之前的設(shè)計(jì)點(diǎn)更接近于原始問(wèn)題的最優(yōu)解。最后，對(duì)線性規(guī)劃問(wèn)題的最優(yōu)解近似逼近最優(yōu)解。

三、應(yīng)用和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1應(yīng)用-焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)

焊接框架結(jié)構(gòu)由兩個(gè)箱體和兩根梁組成。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中我們一般采用兩系懸掛，一個(gè)是圓形彈簧，另一個(gè)是空氣彈簧，在側(cè)梁兩端有一個(gè)軸箱彈簧座。兩根梁采用縱向梁、制動(dòng)架和牽引座焊接。側(cè)梁安裝有阻力。蛇銀行減震器庫(kù)，框架有限元模型采用4個(gè)節(jié)點(diǎn)和其他殼元模型，節(jié)點(diǎn)64877個(gè)，單元66514個(gè)。轉(zhuǎn)向架是臂式軸箱的定位結(jié)構(gòu)。考慮了轉(zhuǎn)向架的實(shí)際約束條件和試驗(yàn)有限元分析的相似性計(jì)算，這種計(jì)算使用剛性單元、彈簧單元和有限元模型施加約束，位移的耦合剛性模擬剛度彈簧元件被用來(lái)模擬定位塊橡膠接頭剛度的三個(gè)方向，加上位移保證臂可以定位在旋轉(zhuǎn)軸。

3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE方法是一種用于研究設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)模型設(shè)計(jì)情況的影響的采樣策略，并確定構(gòu)造近似模型所需的樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)和這些點(diǎn)的空間分布。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，評(píng)價(jià)指標(biāo)的量稱為因子，實(shí)驗(yàn)因子的狀態(tài)稱為水平（1evels）。目前，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法主要包括全因子法、正交矩陣法、中心復(fù)合法、拉丁疊加法、均勻設(shè)計(jì)等。

3.3正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交陣列- OA是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。正交表具有簡(jiǎn)潔的可比性（即，每一個(gè)詞都有機(jī)會(huì)完全相等）和平衡色散（在搭配的任意兩列之間的橫向組合），基于正交表的實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是整倍的水平平方，根據(jù)正交矩陣的正交性，從綜合實(shí)驗(yàn)中選取的部分，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)，得到了較好的重現(xiàn)性。

四、總結(jié)

在本篇文章中我首先分析了我國(guó)鐵路車輛發(fā)展的現(xiàn)狀，其次又介紹了優(yōu)化結(jié)構(gòu)算法即修正可行方向法（MMFD）、可行方向法（MFD）以及序列線性規(guī)劃法（SLP），最后我還闡述了應(yīng)用和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即應(yīng)用-焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] “十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（全文）.中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)2017（01）

[2] 曾渝.軌道交通站點(diǎn)核心影響域空間安全與城市設(shè)計(jì)策略[J].京重慶大學(xué).2016（05）