高速動車組排障器結(jié)構(gòu)輕量化研究

孫業(yè)琛，孫麗萍，王玉艷，曾子銘，盧佳妮

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

隨著鐵路行業(yè)引進消化吸收再創(chuàng)新的不斷深入，我國軌道交通裝備制造技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平.高速度是我國鐵路裝備追求的主要目標(biāo)之一，高速動車組對安全的要求隨著速度的提升而不斷提高，而軌道上的任何障礙物都會對高速運行的動車組產(chǎn)生危害，甚至引發(fā)脫軌事故，故高速動車組前端需安裝排障器［1］.列車輕量化設(shè)計對降低制造和運營成本、減少對線路的沖擊以及提高運行速度和啟動制動的加速度有重大意義，相對于普速列車而言，高速動車組必須考慮輕量化［2］.在實際運用中，排障器結(jié)構(gòu)存在大量的材料冗余，有較大輕量化設(shè)計的空間.本文以某高速動車組的排障器為研究對象，在鐵路車體防撞性要求所規(guī)定的工況下進行靜強度計算分析，并對材料冗余區(qū)域進行拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，達到排障器輕量化設(shè)計的目的.

1 排障器結(jié)構(gòu)簡介

排障器結(jié)構(gòu)位于動車組司機室下方，主要構(gòu)件有排障板、導(dǎo)流板、下蓋板、支撐板及內(nèi)部骨架等，其功能為動車組運行時將軌道上的障礙物清出軌道，防止障礙物卷入或侵入轉(zhuǎn)向架，以保護動車組設(shè)備和人員安全.同時，排障器具有一定的變形吸能作用，保證車體免受損傷或只受不危害行車安全的輕微損傷，以應(yīng)對動車組高速運行中障礙物帶來的沖擊風(fēng)險.排障器通過螺栓與司機室下部連接，所有結(jié)構(gòu)均采用Q355型鋼材，整體重量為410.53 kg，其幾何模型如圖1所示.

圖1 排障器幾何模型

2 排障器有限元分析

2.1 建立有限元模型

在HyperMesh仿真軟件中，利用20 mm的殼單元對排障器結(jié)構(gòu)進行離散.整體上采用高精度的四邊形單元，部分區(qū)域采用三角形單元進行過渡;螺栓采用剛性單元和梁單元組合模擬;焊縫采用大厚度的細(xì)長殼單元模擬，綜合考慮各構(gòu)件厚度，取焊縫單元厚度為16 mm.鑒于排障鋼板通過螺栓預(yù)緊力與其后部導(dǎo)流板實現(xiàn)緊密貼合，因此采用接觸的方式進行模擬.最終有限元模型共包含26 764個單元及26 527個節(jié)點.

2.2 計算工況

根據(jù)《EN15227:2008鐵道應(yīng)用—鐵路車體的防撞性要求》標(biāo)準(zhǔn)和高速動車組排障器設(shè)計任務(wù)書的要求，確定了以下兩種工況:

工況1:作用在中心線上的300 kN縱向載荷，以均布力的形式施加在內(nèi)部骨架前端端面.

工況2:作用在中心線橫向距離750 mm處的250 kN縱向載荷，以均布力的形式施加在內(nèi)部骨架縱梁的前端蓋板處.

工況1和工況2均在排障器兩側(cè)和吊座處共14個螺栓孔的中心位置施加六個自由度的全約束，并對縱梁支撐板施加縱向約束，具體位置如圖2所示.

圖2 有限元模型載荷與約束位置

2.3 靜強度分析

圖3 兩種工況的應(yīng)力云圖

鑒于結(jié)構(gòu)、載荷和約束均具有對稱性，本文取二分之一模型進行計算.經(jīng)OptiStruct求解器求解分析，工況1最大 VonMises應(yīng)力為253.02MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在為避開車鉤螺栓所開凹槽處;工況2最大VonMises應(yīng)力為114.11 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊座與縱梁連接處，具體位置見圖3.通過應(yīng)力云圖可看出，排障器內(nèi)部骨架應(yīng)力分布不均勻，材料利用不充分，有較大優(yōu)化空間，可在保證安全性能的前提下，利用拓?fù)鋬?yōu)化去除冗余材料，并通過尺寸優(yōu)化進一步優(yōu)化減重.

3 拓?fù)鋬?yōu)化

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化簡介

拓?fù)鋬?yōu)化是指在給定的設(shè)計空間內(nèi)，找到最佳的傳力路徑或材料分布，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設(shè)計［3］.尤其是在產(chǎn)品設(shè)計初期，僅憑想象或者經(jīng)驗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，利用拓?fù)鋬?yōu)化這一數(shù)學(xué)方法可以大大提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確性.其常用的拓?fù)浔磉_形式和插值模式有:均勻化法、密度法(即SIMP)、拓?fù)浜瘮?shù)描述法和變厚度法［4］.

3.2 排障器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

根據(jù)前述計算結(jié)果可知，在兩種工況下，內(nèi)部骨架縱梁結(jié)構(gòu)有較大材料冗余.可根據(jù)應(yīng)力大小對該區(qū)域進行劃分，隨后利用拓?fù)鋬?yōu)化對各區(qū)域去除冗余材料以實現(xiàn)輕量化設(shè)計.優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型描述為:

(1)目標(biāo)函數(shù):規(guī)定工況下加權(quán)應(yīng)變能最小;

(2)設(shè)計變量:各給定設(shè)計區(qū)域的單元密度;

(3)約束條件:各給定設(shè)計區(qū)域體積分?jǐn)?shù)小于25%.

為使優(yōu)化更加充分，計算能更收斂于最優(yōu)結(jié)果，本文將收斂容差設(shè)置為10-5.

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析改進

經(jīng)35步迭代后計算收斂，得到排障器拓?fù)鋬?yōu)化模型，具體結(jié)果如圖4所示，迭代曲線如圖5所示.為便于觀察優(yōu)化結(jié)果，在HyperView中顯示密度大于0.35的部分，云圖中所有淺灰色部分為主要傳力路徑，材料應(yīng)予以保留，其他非傳力路徑即設(shè)計區(qū)域中黑色區(qū)域的材料可適當(dāng)去除.

圖4 設(shè)計區(qū)域拓?fù)浣Y(jié)果

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化迭代曲線

由靜強度分析可知，排障器縱梁的大應(yīng)力區(qū)域分布在縱梁上蓋板及前蓋板處，兩側(cè)立板為應(yīng)力較小的非承載區(qū)域，主要起連接作用，存在冗余材料，故優(yōu)化結(jié)果與靜強度分析相符.綜合考慮制造加工工藝及外形美觀等因素，人工改進優(yōu)化所得結(jié)果.對傳力路徑處的材料予以保留，材料去除區(qū)域與材料保留區(qū)域盡量平滑過渡，以避免應(yīng)力集中，改進后的結(jié)構(gòu)如6所示.

圖6 改進后的優(yōu)化模型

4 尺寸優(yōu)化

4.1 尺寸優(yōu)化簡介及模型

尺寸優(yōu)化一般也叫參數(shù)優(yōu)化，是最成熟最經(jīng)典的優(yōu)化技術(shù)，可對諸如板厚、桿梁截面屬性、材料特性等參數(shù)進行優(yōu)化.多用于產(chǎn)品的形狀結(jié)構(gòu)均已確定，只需對某些參數(shù)進行優(yōu)化的設(shè)計后期.此外，可把工程中的經(jīng)驗和解析方法通過數(shù)學(xué)表達式或外部函數(shù)集成到OptiStrcut中［3］，構(gòu)成更多的設(shè)計約束，從而得到更符合要求的優(yōu)化設(shè)計.

4.2 排障器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)之上，再對排障器前端骨架、縱梁以及縱梁蓋板三處結(jié)構(gòu)進行尺寸優(yōu)化.優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型描述為:

(1)目標(biāo)函數(shù):體積分?jǐn)?shù)最小;

(2)設(shè)計變量:各設(shè)計區(qū)域的板材厚度;

(3)約束條件:規(guī)定工況下各設(shè)計區(qū)域的VonMises應(yīng)力小于等于308 MPa，即最大VonMises應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力.

因三處結(jié)構(gòu)的厚度存在梯度，須分別定義設(shè)計變量，并設(shè)置不同上下限值，具體值見表1.考慮到實際生產(chǎn)中型材的厚度尺寸，將每個設(shè)計變量定義為離散設(shè)計變量，其離散值均為0.1mm，即設(shè)計變量從上限減小至下限的變化量為0.1的整數(shù)倍.

表1 各設(shè)計變量上、下限值

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析及改進

經(jīng)計算，目標(biāo)函數(shù)在第5步迭代時收斂，收斂曲線如圖7所示.在out文件中查看各迭代步厚度變化和重量變化，具體數(shù)值如表2所示.通過靜強度計算可知，雖然內(nèi)部骨架存在應(yīng)力集中，但其最大應(yīng)力仍小于許用應(yīng)力，尤其是縱梁結(jié)構(gòu)，存在較大設(shè)計空間.表2中各迭代步厚度變化量表明優(yōu)化迭代趨勢與靜強度分析相符，且重量不斷降低，故該優(yōu)化結(jié)果具有可行性.考慮到實際應(yīng)用中型材的板厚和材料的許用應(yīng)力，對優(yōu)化所得板厚值進行圓整，得到最終尺寸優(yōu)化結(jié)果.

表2 各迭代步變化量

圖7 尺寸優(yōu)化迭代曲線

5 優(yōu)化結(jié)果校核

通過拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化后，排障器結(jié)構(gòu)各項計算數(shù)據(jù)如表3所示，經(jīng)分析校核可得:優(yōu)化后排障器結(jié)構(gòu)在工況1和工況2下的最大應(yīng)力值分別為306.54和194.87 MPa，相比優(yōu)化前各增大了53.52和80.76MPa，但應(yīng)力最大位置不變，且符合《EN12663:鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)中安全系數(shù)s大于1.15的要求，沒有超過材料的許用應(yīng)力，滿足強度要求，材料利用率顯著上升;工況1和工況2下的最大縱向位移分別為1.19和0.44 mm，相較于優(yōu)化前兩個工況下的最大位移0.92和0.27 mm，變化較小，剛度基本不變.在此基礎(chǔ)之上，重量得以減輕，表明優(yōu)化方案切實可行.

表3 優(yōu)化前后各參數(shù)對比

6 結(jié)論

本文以某高速動車組排障器為研究對象，對該結(jié)構(gòu)進行靜強度分析并進行優(yōu)化，得出以下結(jié)論:

(1)對該結(jié)構(gòu)進行有限元建模分析，計算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)符合強度、剛度的相關(guān)要求，但結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻，尤其是內(nèi)部骨架，存在大量材料冗余，不符合輕量化設(shè)計的要求，影響實際生產(chǎn)的經(jīng)濟效益;

(2)通過拓?fù)鋬?yōu)化對縱梁進行傳力路徑分析，對非傳力路徑區(qū)域去除冗余材料形成減重孔，使得整體結(jié)構(gòu)減重1.71%.在此基礎(chǔ)之上通過尺寸優(yōu)化對整個內(nèi)部骨架進行改進，實現(xiàn)前端骨架板材減厚1.5 mm，縱梁板材減厚2.5 mm，縱梁上蓋板板材減厚4 mm，整體結(jié)構(gòu)減重達12.74%.在滿足靜強度要求的前提下，排障器實現(xiàn)減重59.31 kg，占總重量的14.45%，輕量化效果明顯，為日后設(shè)計人員對排障器的設(shè)計提供有益參考.