高速動車組鋁合金車體結構分析及基于靈敏度分析的優(yōu)化探討

紀磊 許信

摘 要：在中國高速鐵路的發(fā)展過程之中，取得了一系列的成績，使得我國的高鐵技術已經(jīng)處于世界的領先水平。與此同時，在其發(fā)展的工程之中，還在主要的城市以及主要的經(jīng)濟區(qū)建設了城際高速動車。我國根據(jù)自身的發(fā)展需要也引進了一些先進的技術，對我國高速動車的設計以及發(fā)展具有重要的意義。筆者在文中主要對其鋁合金車體結構進行了分析，并對其靈敏度優(yōu)化的措施進行一定的探究。

關鍵詞：高速動車組；鋁合金車體結構；靈敏度分析；優(yōu)化探討

在2004年我國在德國和法國對高速列車進行引進，在10多年的發(fā)展之中，我國已經(jīng)由最初的起步階段發(fā)展到對外進行輸出的階段，這表明我國的高鐵技術已經(jīng)取得了巨大的成就。在這些成就的背后必須具有堅實的技術支撐，這也是我國高鐵在未來發(fā)展之中的重要因素，其中最為主要的組成部分是高速動車組的鋁合金車體結構設計技術，因此，對其進行研究與吸收具有重要的實踐意義。

一、對靈敏度分析的分類以及方法分析

通過在設計變量選取的基礎之上對其靈敏度分析進行分類，可以將其分為形狀靈敏度與尺寸靈敏度，二者之間的主要差別在于其設計變量選取不同，形狀靈敏度主要是對其節(jié)點位置進行考慮，而尺寸靈敏度主要是對其截面尺寸進行考慮。在對變量進行設計的過程之中，對其結構參數(shù)進行靈敏度計算時可以分為確定性與非確定性。對于靈敏度的分析可以分為靜態(tài)相應與動態(tài)相應。在靜態(tài)相應靈敏度之中主要包括的類型有應力、應變、位移靈敏度等。如果節(jié)點位移靈敏度已知，這樣就可以對應力以及應變靈敏度進行計算。

對于靈敏度進行分析的方法可以劃分為兩大類，一類是建立在計算策略基礎之上，一類是建立在實驗數(shù)據(jù)的分析之上。在第一類方法之中又包含有離散法和變分法。其中離散法又可以具體分為在理論公式基礎之上進行操作的方法，在有限元理論之上進行操作的方法。

二、進行結構優(yōu)化的一般性過程分析

建立在有限元法基礎之上的結構優(yōu)化與對靈敏度進行分析，需要建立相應的有限元模型以及相應的數(shù)學模型。在有限元模型的構件之中，應該保證其機構的準確性，同時還應該保證對問題進行優(yōu)化的合理性。對于問題優(yōu)化的數(shù)學模型，首先需要對其設計變量X進行確定，這對其結構性特征具有決定性作用，在這些參數(shù)之中包含有設計參數(shù)和拓撲幾何參數(shù)。在設計參數(shù)之中主要包含的是不同構件的結構尺寸、截面的面積等，在拓撲幾何參數(shù)之中，主要包含的內(nèi)容是桿件的長度、間距、節(jié)點坐標等。在這些參數(shù)之中，一部分是常數(shù)，已經(jīng)提前給出；另一部分是變量。因此，優(yōu)化問題的邊界條件是由設計變量的上下所構成。其次，在對問題進行優(yōu)化的結構之中，應該滿足兩個條件才可以有效 發(fā)揮作用。一是要保證結構正常地發(fā)揮作用，即保障狀態(tài)變量的有效性；二是要滿足相關的規(guī)定以及在構造和工藝上的相關要求，即界限約束。在進行有限元的分析過程之中為目標函數(shù)、約束條件提供了相應的結構相應。

在對其進行優(yōu)化的過程之中，往往將結構的分析以及算法聯(lián)系在一起，并且建立相關的優(yōu)化模型。在對結構模型的有限元分析之中，可以得到對相應的目標函數(shù)值以及性能約束值。通過對優(yōu)化算法進行有效地應用，可以求得目標函數(shù)的相應解，因此，在對其進行使用的過程之中，可以根據(jù)優(yōu)化機構的不同而選擇相應的目標函數(shù)以及性能約束，進而對其結果進行較為精確的求得。

三、對車體結構靈敏度進行分析與優(yōu)化的設計

通過對車體的結構進行一定的分析，可以找到影響車體性能的部件，并采取有效措施對其進行設計。筆者提出兩個優(yōu)化方案，一個是對車體的18個主要部件的厚度進行優(yōu)化；一個是針對不同的部件靈敏度值不同，對其部件進行優(yōu)化。文章的優(yōu)化模型的確立主要是通過對車體的結構靈敏度進行了一定的分析與優(yōu)化而實現(xiàn)的。在該模型之中，其目標函數(shù)是結構之中的最小質(zhì)量。在對應力約束方面，在進行優(yōu)化的過程之中，其車體的強度會受到結構尺寸改變的影響，因此，應該在進行應力約束的過程之中對其進行有效的控制，以避免在優(yōu)化過程之中出現(xiàn)應力水平不穩(wěn)定的狀況。為了使得車體的剛度水平能夠其標準的要求，其另一個約束為車體的垂向最大位移。

在進行車體的結構優(yōu)化過程之中，應該選擇最具有代表性的工況進行優(yōu)化分析，這樣能夠?qū)ζ鋺M行相對準確地計算，進而得出其應力的狀況。與此同時，在進行工況選擇的情況下，為了使得其優(yōu)化的結果更加具有普遍代表性，可以選擇最惡劣的工況，如果進行優(yōu)化后的車體能夠在此種狀況下滿足其基本要求，那么在其它的工況之下也會使其相應的性能得到滿足。

四、結語

文章通過對高速動車組列車車體優(yōu)化進行了詳細地分析，并且通過相關的計算方法對其局部強度進行了精確地計算，將其與實際測點值進行了比較與研究?；陟`敏度進行分析的方法對其車體結構進行優(yōu)化分析，并對其性能進行一定的評估，以獲得最優(yōu)的優(yōu)化結果。鋁合金車體結構是高速動車組列車的重要組成部分，對其進行結構優(yōu)化分析能夠為動車組列車設計的發(fā)展帶來一定的促進作用，使其其結構設計更為合理，以提升我國動車組列車發(fā)展的總體水平。

參考文獻

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