CRH5動(dòng)車(chē)組車(chē)體底架的結(jié)構(gòu)分析與輕量化研究

元艷玲,樊祺超,李汝楠,杜芮琪

(太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院,太原 030024)

20世紀(jì)60年代,Schmit[1]提出系統(tǒng)綜合的概念,標(biāo)志著結(jié)構(gòu)優(yōu)化思想的誕生和形成。在保證車(chē)體結(jié)構(gòu)安全的前提下,對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。輕量化研究主要有三個(gè)方向:一是改變列車(chē)使用材料;二是使用新工藝[2];三是改變列車(chē)結(jié)構(gòu),從源頭設(shè)計(jì)出發(fā),通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減輕車(chē)重[3]。前二者效果顯著但成本過(guò)高。本文擬通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法探索輕量化途徑,以CRH5動(dòng)車(chē)組的M2S車(chē)體底架為對(duì)象,采用基于連續(xù)變量和離散變量的尺寸優(yōu)化對(duì)比驗(yàn)證的方法,探索有效的輕量化途徑。

劉丹丹等[4]基于尺寸優(yōu)化理論,對(duì)城市客車(chē)車(chē)身模型選用SHELL單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并選取工況對(duì)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化,使得車(chē)身質(zhì)量下降了22.81 kg.周文[5]對(duì)某運(yùn)輸車(chē)車(chē)架進(jìn)行形狀優(yōu)化,在網(wǎng)格優(yōu)化時(shí)使用變形區(qū)與控制炳的方法改變網(wǎng)格形狀從而提高精確度,使得車(chē)架橫梁的連接位置得到優(yōu)化,改善應(yīng)力集中現(xiàn)象,使最大應(yīng)力值下降5.3%.胡志峰[6]采用網(wǎng)格參數(shù)化方法,通過(guò)網(wǎng)格變形控制改變參數(shù)變形體形狀,從而找到車(chē)體側(cè)墻筋板最合適的布置角度完成形狀優(yōu)化。周杭[7]采用加權(quán)組合處理分揀小車(chē)工況,并使用變密度法(SIMP)進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,輕量化效果明顯,質(zhì)量減少了29.8%.閻力[8]基于有限元理論,使用有限元軟件對(duì)FSC賽車(chē)車(chē)架前艙進(jìn)行局部拓?fù)鋬?yōu)化,對(duì)車(chē)架管徑進(jìn)行尺寸優(yōu)化,質(zhì)量減少15.6%.

結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中每個(gè)步驟都可能用到不同的優(yōu)化方法,在此使用Ansys對(duì)模型進(jìn)行直接離散化的網(wǎng)格劃分,保證一定的精確度。對(duì)于載荷工況選擇參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)考慮整體工況,確定幾種主要載荷,然后通過(guò)組合計(jì)算方法選擇組合工況,從而確定優(yōu)化工況。在此主要對(duì)車(chē)體構(gòu)件進(jìn)行尺寸優(yōu)化,優(yōu)化時(shí)為了提高計(jì)算精度對(duì)變量進(jìn)行分組對(duì)比研究。

1 基于有限元的車(chē)體結(jié)構(gòu)分析

1.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

由于車(chē)體的薄殼結(jié)構(gòu)并且其主要承受彎曲變形載荷,在Ansys中建模時(shí)選擇4節(jié)點(diǎn)6自由度的殼單元shell63.轉(zhuǎn)向架支座采用實(shí)體單元solid45.在車(chē)體結(jié)構(gòu)計(jì)算中,選用COMBIN14單元模擬轉(zhuǎn)向架對(duì)車(chē)體的支撐作用。車(chē)下吊裝設(shè)備,桌椅等地板附屬設(shè)備采用質(zhì)量單元mass21加在相應(yīng)的位置上。然后按照車(chē)體原結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化,步驟如下:

(1)采用殼單元shell63模擬車(chē)體截面形狀,在離散結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)其定義相應(yīng)的厚度,從而保證計(jì)算精度,簡(jiǎn)化結(jié)果見(jiàn)圖1;

(2)對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布影響很小的非承載構(gòu)件忽略不計(jì);

(3)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小、因制造工藝而增加的細(xì)小倒角和圓角簡(jiǎn)化為直角,從而降低網(wǎng)格劃分的困難;

(4)構(gòu)建表面光順滑;

(5)對(duì)兩個(gè)靠的近卻不重合的交叉連接點(diǎn)簡(jiǎn)化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)處理。

圖1 簡(jiǎn)化后車(chē)體截面圖Fig.1 Simplified cross section diagram

通過(guò)車(chē)體結(jié)構(gòu)分析,采用節(jié)點(diǎn)耦合的形式模擬焊接結(jié)構(gòu),以質(zhì)量塊的方式施加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行附件質(zhì)量的模擬,采用復(fù)合單元實(shí)現(xiàn)板單元與實(shí)體單元之間的過(guò)渡,將車(chē)體幾何模型離散化,進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加約束及邊界條件后,生成最終需要的有限元模型(見(jiàn)圖2)。有限元仿真模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為99 533,單元總數(shù)為150 115.

圖2 車(chē)體有限元模型Fig.2 FE model of vehicle body

1.2 車(chē)體剛度、強(qiáng)度有限元仿真分析

參照《UIC566》與《EN12633》標(biāo)準(zhǔn)[9-10],對(duì)各種工況進(jìn)行分析,車(chē)體所受約束和載荷通常在車(chē)鉤連接處、車(chē)端部、轉(zhuǎn)向架等位置。車(chē)體在各種工況下的約束位置用有限元分析表示如圖3所示,載荷位置用有限元分析表示如圖4所示(其中X軸沿車(chē)體橫向,Y為垂直方向,Z軸沿車(chē)體縱向由一位端指向二位端)。

圖3 車(chē)體有限元分析約束位置Fig.3 Constrain locations of M2S bodyshell FEA

圖4 車(chē)體有限元分析載荷位置Fig.4 Load locations of M2S bodyshell FEA

1.2.1 載荷工況選取

參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN12663考慮車(chē)體的載荷工況,文獻(xiàn)[11]中對(duì)單一工況進(jìn)行組合計(jì)算,考慮車(chē)體所受主要載荷,得到十種主要組合工況,然后根據(jù)有限元仿真結(jié)果分析,確定最終優(yōu)化工況,即:工作載荷狀態(tài)下,對(duì)車(chē)鉤再施加水平方向的1 500 kN壓縮載荷。該工況下的應(yīng)力云圖和位移云圖見(jiàn)圖5、圖6.

圖5 應(yīng)力云圖Fig.5 Maximum stress contour

圖6 位移云圖Fig.6 Displacement on body structure

分析可知,該工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在二位端靠近內(nèi)端墻的門(mén)角(見(jiàn)圖5),應(yīng)力值為184.3 MPa,底架邊梁的最大垂向位移是4.26 mm.車(chē)體車(chē)鉤水平位置承受壓縮載荷,車(chē)體車(chē)鉤區(qū)域承受縱向壓縮載荷時(shí),主要通過(guò)內(nèi)外主筋板以及輔助筋板傳遞給車(chē)體,所以這些筋板是重要的承載部位,會(huì)產(chǎn)生比較大的應(yīng)力。而受垂向載荷作用時(shí),門(mén)和窗戶對(duì)側(cè)墻強(qiáng)度有較大削弱,所以會(huì)在附近產(chǎn)生應(yīng)力集中。此時(shí)車(chē)體滿足強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化減重的潛力。

1.2.2 車(chē)體結(jié)構(gòu)剛度分析

在確定的優(yōu)化工況下,采用增大剛度的方法考察車(chē)頂、側(cè)墻及車(chē)底對(duì)車(chē)體整體剛度的影響,從而通過(guò)有限元仿真結(jié)果確定優(yōu)化對(duì)象。

(1)增大車(chē)頂剛度,由應(yīng)力云圖分析得最大應(yīng)力出現(xiàn)在二位端靠近內(nèi)端墻的門(mén)角處,應(yīng)力值為171.616 MPa,底架邊梁的最大垂向位移為3.348 mm.車(chē)體整體應(yīng)力云圖及其位移云圖見(jiàn)圖7、圖8.

圖7 應(yīng)力云圖Fig.7 Maximum stress contour

圖8 位移云圖Fig.8 Displacement on body structure

(2)增大側(cè)墻剛度,由應(yīng)力云圖分析得最大應(yīng)力出現(xiàn)在二位端靠近內(nèi)端墻的門(mén)角處,應(yīng)力值為230.209 MPa,底架邊梁的最大垂向位移3.062 mm.車(chē)體整體應(yīng)力云圖及其位移云圖見(jiàn)圖9、圖10.

圖9 應(yīng)力云圖Fig.9 Maximum stress contour

圖10 位移云圖Fig.10 Displacement on body structure

(3)增大底架剛度,由應(yīng)力云圖分析得最大應(yīng)力出現(xiàn)在底板孔處,應(yīng)力值為198.316 MPa,底架邊梁的最大垂向位移1.914 mm.車(chē)體整體應(yīng)力云圖及其位移云圖見(jiàn)圖11、圖12.

圖11 應(yīng)力云圖Fig.11 Maximum stress contour

圖12 位移云圖Fig.12 Displacement on body structure

從以上分析及車(chē)體剛度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知,在增加相同剛度的條件下,底架剛度的變化對(duì)車(chē)體整體剛度的影響最為有效,而車(chē)頂和側(cè)墻剛度的變化對(duì)車(chē)體整體強(qiáng)度的影響最為有效。綜合考慮車(chē)體整體的應(yīng)力和位移,以底架為結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)象。

2 車(chē)體底架的尺寸優(yōu)化

2.1 數(shù)學(xué)模型

面對(duì)實(shí)際問(wèn)題,我們需要將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題,從而確定設(shè)計(jì)方案。

(1)設(shè)計(jì)變量:以底架上下蓋板以及肋板的厚度作為設(shè)計(jì)變量?？梢杂镁仃嚤硎緸?

X={X1,X2,…,Xm]T

(1)

(2)約束條件:要根據(jù)強(qiáng)度和剛度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),充分考慮車(chē)體許用應(yīng)力變化范圍及其底架垂向位移大小等約束條件。

強(qiáng)度約束條件:

σmaxi≤σ,(i=1,2,…,n)

(2)

其中n為設(shè)計(jì)變量。

剛度約束條件:

(3)

其中L為底架邊梁的最大垂向位移;a為車(chē)體定距為19 000 mm.

(3)目標(biāo)函數(shù):以車(chē)體重量為目標(biāo)函數(shù)。

目標(biāo)函數(shù)可以表示為:

Minf(X)=f(X1…X2,…,Xn)

(4)

因此,其數(shù)學(xué)模型表示如下:

Minf(X)=f(X1,X2,Xn)

S.t.σmaxi≤σ,(i=1,2,…,n)

2.2 優(yōu)化對(duì)象

由前面分析可知,優(yōu)化對(duì)象為車(chē)體底架,為方便設(shè)計(jì),變量的分組大致分為3個(gè)板塊(見(jiàn)圖13中標(biāo)記區(qū)域),優(yōu)化工況為工作載荷狀態(tài)下,對(duì)車(chē)鉤再施加水平方向的1 500 kN壓縮載荷,優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為車(chē)體的重量,底架邊梁的垂向位移和最大應(yīng)力為約束條件。

圖13 優(yōu)化對(duì)象
Fig.13 Optimized object

2.3 變量的分組

使用OptiStruct軟件對(duì)M2S車(chē)體底架進(jìn)行尺寸優(yōu)化,為了減少優(yōu)化求解的計(jì)算量,采用分組的方法,把設(shè)計(jì)變量分成以下五組:

(1)上下蓋板厚度為一個(gè)變量,每塊肋板厚度為一個(gè)變量,共25個(gè)變量;

(2)上下蓋板厚度為一個(gè)變量,成倒三角的相鄰兩塊肋板厚度為一個(gè)變量,共13個(gè)變量;

(3)上下蓋板厚度為一個(gè)變量,第一塊板的肋板2組變量,第二、三塊板的肋板每組3個(gè)變量,共9個(gè)變量;

(4)上下蓋板厚度為一個(gè)變量,每塊板的肋板2組變量,共7個(gè)變量;

(5)上下蓋板厚度為一個(gè)變量,每塊板的肋板為一個(gè)變量,共4個(gè)變量。

2.4 優(yōu)化結(jié)果及分析

為了得到更精確的優(yōu)化結(jié)果,分別進(jìn)行基于連續(xù)變量和離散變量的尺寸優(yōu)化,優(yōu)化前的質(zhì)量為4 212 kg,最大應(yīng)力為184.3 MPa,底架邊梁最大垂向位移為4.26 mm,優(yōu)化后結(jié)果如表1、表2所示。

表1 基于連續(xù)變量的尺寸優(yōu)化
Tab.1 Size optimization based on continuous variables

分組1Group1分組2Group2分組3Group3分組4Group4分組5Group5 質(zhì)量/kg3 868.73 8703 870.83 871.23 873.4 最大應(yīng)力/MPa197.67197.45190.37190.24190.21 底架邊梁最大垂向位移/mm4.584.033.953.943.92

表2 基于離散變量的尺寸優(yōu)化
Tab.2 Size optimization based on discrete variables

分組1Group1分組2Group2分組3Group3分組4Group4分組5Group5 質(zhì)量/kg3 862.43 865.43 865.83 867.43 872.9 最大應(yīng)力/MPa197.37197.03191.18191.68189.89 底架邊梁最大垂向位移/mm4.584.034.504.503.89

由表2可知,基于離散變量的尺寸優(yōu)化效果更好。理論上尺寸變量連續(xù)變化,取值范圍大,優(yōu)化效果好,但由于對(duì)連續(xù)變量的值做了向上的保守圓整,反而導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果較差,此次優(yōu)化說(shuō)明基于離散變量尺寸優(yōu)化是可行的。離散變量和連續(xù)變量從分組來(lái)看,變化趨勢(shì)一致,但是使用離散變量的尺寸優(yōu)化整體效果較好。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)CRH5動(dòng)車(chē)組M2S車(chē)體結(jié)構(gòu)分析,對(duì)車(chē)體模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,根據(jù)各部件受力特點(diǎn),選取合適的單元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分等操作。參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)體有限元模型施加約束和載荷,對(duì)單一工況進(jìn)行組合計(jì)算后進(jìn)行有限元仿真分析,綜合分析結(jié)果確定最終優(yōu)化對(duì)象和典型載荷工況,采用減少計(jì)算量的變量分組法分別進(jìn)行基于連續(xù)變量和離散變量的尺寸優(yōu)化。經(jīng)分析對(duì)比,基于連續(xù)變量的尺寸優(yōu)化使車(chē)身質(zhì)量最高下降8%,基于離散變量尺寸優(yōu)化使車(chē)身質(zhì)量下降8.3%.本研究采用的輕量化途徑證明是可行的。