參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在地鐵牽引電機(jī)正向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張 婷 孫霖霖

（1.中車永濟(jì)電機(jī)公司國鐵事業(yè)部，陜西 西安 710078；2.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展對列車的性能提出了更高要求。作為列車的關(guān)鍵零部件之一，牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對列車的整體性能具有重要意義[1-3]。以往的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依賴專業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識和創(chuàng)新思維，具有設(shè)計(jì)周期長、精確度低、建模效率低、設(shè)計(jì)迭代次數(shù)多及創(chuàng)新性不足等缺點(diǎn)。因此需要尋求一種可以改變現(xiàn)狀的設(shè)計(jì)方法。

正向設(shè)計(jì)是一種系統(tǒng)分解的過程[4]。在正向設(shè)計(jì)中，已知的是產(chǎn)品的功能和設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)者需要做的是按照設(shè)計(jì)需要分解功能、任務(wù)，進(jìn)行從無到有的設(shè)計(jì)[5]。仿真分析是正向設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。目前，對多數(shù)企業(yè)而言，有限元分析是在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)后進(jìn)行的。對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改或變更時，有限元模型很難得到重復(fù)利用，需要再次進(jìn)行有限元建模及工況求解等。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，參數(shù)化的結(jié)構(gòu)分析及正向設(shè)計(jì)對提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性具有舉足輕重的作用，不僅有助于在產(chǎn)品研發(fā)階段尋求最優(yōu)化的解決方案，還能明顯縮短產(chǎn)品研制周期、降低成本并確保產(chǎn)品質(zhì)量[6-9]。

1 工程實(shí)例

作為牽引電機(jī)與轉(zhuǎn)向架的機(jī)械連接部位之一，吊掛在列車運(yùn)行過程中具有支撐、固定牽引電機(jī)的作用，其強(qiáng)度與可靠性的優(yōu)劣會影響列車的安全性與出勤率。該文以某型地鐵牽引電機(jī)吊掛為例，以改善吊掛應(yīng)力分布、提高吊掛強(qiáng)度與可靠性并實(shí)現(xiàn)輕量化為目標(biāo)，對吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)與吊掛的參數(shù)化模型

某型地鐵牽引電機(jī)示意圖如圖1所示。該電機(jī)為架懸式安裝。電機(jī)通過鳥頭吊掛凹槽搭扣在轉(zhuǎn)向架上，進(jìn)而通過螺栓將上、下吊掛固定。

圖1 地鐵牽引電機(jī)與鳥頭吊掛

該文分析鳥頭吊掛幾何結(jié)構(gòu)，將如圖2所示的7個關(guān)鍵尺寸作為變量，并基于Creo Parametric軟件建立電機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)的三維參數(shù)化模型。

圖2 上吊掛結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 牽引電機(jī)的有限元靜強(qiáng)度分析

作為軌道車輛的重要部件之一，牽引電機(jī)在車輛運(yùn)行過程中會受外界的沖擊與振動，需要具有足夠的強(qiáng)度、剛度以及抗疲勞性能。該文基于ANSYS Workbench平臺對電機(jī)進(jìn)行了有限元靜強(qiáng)度分析。

1.2.1 電機(jī)模型簡化

為縮小進(jìn)行有限元分析時的計(jì)算規(guī)模，該文對電機(jī)模型進(jìn)行如下簡化：1）去除兩端端蓋組件、兩端軸承單元、轉(zhuǎn)子、接線盒以及電纜等零部件，采用集中質(zhì)量方式簡化等效。2）去除機(jī)座螺紋孔等細(xì)節(jié)特征。

1.2.2 材料定義

電機(jī)吊掛材料為ZG275-485H，材料的主要性能參數(shù)見表1。其中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，疲勞強(qiáng)度σ-1根據(jù)抗拉強(qiáng)度σb的1/3進(jìn)行計(jì)算。

表1 吊掛主要性能參數(shù)表

1.2.3 網(wǎng)格劃分

對規(guī)則實(shí)體進(jìn)行映射劃分，不規(guī)則實(shí)體進(jìn)行強(qiáng)制6面體劃分。為保證能成功劃分優(yōu)化迭代過程中的吊掛網(wǎng)格，對上吊掛采用自由網(wǎng)格劃分，安裝接口部分網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。整體網(wǎng)格密度適中，模型單元數(shù)目為48844，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1056063，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.2.4 約束與載荷

根據(jù)電機(jī)的安裝條件，在電機(jī)鳥頭吊掛與下吊掛安裝面上施加剛性約束。為驗(yàn)證電機(jī)工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度，除質(zhì)量、額定工作載荷外，根據(jù)《GB/T 21563—2018軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，對分析模型施加模擬長壽命的隨機(jī)振動載荷，見表2。

表2 2類轉(zhuǎn)向架安裝的模擬長壽命的隨機(jī)振動載荷

1.2.5 計(jì)算結(jié)果

分析電機(jī)在重力、額定工作載荷、慣性振動載荷作用下的靜強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示?？梢钥闯觯畲蟮刃?yīng)力位于上吊掛安裝接口邊緣圓角根部，數(shù)值為39.707MPa，該數(shù)值小于疲勞強(qiáng)度161.7MPa，因此可以認(rèn)為該應(yīng)力不會造成上吊掛疲勞失效。機(jī)座最大位移位于防脫落吊掛端部，數(shù)值為0.039455mm。定子鐵心最大徑向位移為0.012864mm，氣隙占比為0.7%，滿足小于5%的要求。在額定工況下，電機(jī)機(jī)座的強(qiáng)度與剛度滿足要求，為下一步優(yōu)化鳥頭吊掛結(jié)構(gòu)提供了可能。

圖4 額定工況下應(yīng)力分布云圖

圖5 額定工況下位移分布云圖

1.3 吊掛的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.3.1 優(yōu)化目標(biāo)

在保證強(qiáng)度與剛度的條件下，進(jìn)行鳥頭吊掛的輕量化設(shè)計(jì)。其中，剛度要求為最大鐵心徑向變形δ≤5%×氣隙值；強(qiáng)度要求為最大應(yīng)力σmax≤σ-1。

1.3.2 優(yōu)化變量及變化范圍選取

如果將圖2所示的7個結(jié)構(gòu)參數(shù)作為自變量，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、最大應(yīng)力、最大鐵心徑向變形作為7個自變量的函數(shù)，則應(yīng)力曲線的斜率k即表現(xiàn)了3個目標(biāo)隨7個結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的敏感程度，即靈敏度。當(dāng)k＞0時，目標(biāo)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大而增大；k＜0時，目標(biāo)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大而變小，且k的絕對值越大，變化程度越劇烈。

基于Design Exploration，對圖2所示的7個參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，可以得到最大應(yīng)力、吊掛質(zhì)量及鐵心最大徑向變形對7個參數(shù)的敏感程度，如圖6所示。數(shù)值越大，表示該變量對目標(biāo)的影響程度越大。數(shù)值為正，說明目標(biāo)隨變量的增大而增大，反之則隨變量的增大而變小。

圖6 靈敏度分析

根據(jù)靈敏度分析過程中生成的80組算例可知，最大應(yīng)力30MPa～40MPa，質(zhì)量范圍為18kg～22kg，最大徑向變形基本保持在0.013左右，變化不大。因此，基于靈敏度分析結(jié)果，挑選對最大應(yīng)力、質(zhì)量影響較大的4個參數(shù)α1、δ1、δ3、L，將其作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

為保證吊掛質(zhì)量最輕，其余3個參數(shù)根據(jù)質(zhì)量的靈敏度分析結(jié)果，選取相似產(chǎn)品取值。7個變量最終的取值范圍見表3。

表3 結(jié)構(gòu)變量取值

1.3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

選擇多目標(biāo)遺傳算法（MOGA），經(jīng)過195組迭代運(yùn)算后，優(yōu)選出的優(yōu)化結(jié)果見表4。在該組參數(shù)下，上吊掛滿足靜強(qiáng)度與變形要求，可以保證在靜強(qiáng)度與剛度變化不大的情況下質(zhì)量減少5.84kg，減少量約占上吊掛總質(zhì)量稍微23%，優(yōu)化效果良好。

表4 優(yōu)化前、后的數(shù)據(jù)對比

2 樣機(jī)試驗(yàn)

該文采用優(yōu)化后的吊掛方案完成樣機(jī)試制。根據(jù)電機(jī)的實(shí)際安裝情況，設(shè)計(jì)合理的沖擊振動試驗(yàn)工裝，安裝后的電機(jī)及振動方向定義如圖7所示。在電機(jī)鳥頭吊掛布置應(yīng)變片，可以得到電機(jī)吊掛在振動沖擊試驗(yàn)中的最大應(yīng)力。根據(jù)表2施加模擬振動載荷，電機(jī)上吊掛在模擬長壽命振動試驗(yàn)中的最大應(yīng)力情況見表5。

表5 模擬長壽命振動試驗(yàn)最大應(yīng)力值

圖7 電機(jī)安裝與方向定義

由電機(jī)的振動試驗(yàn)可以看出，優(yōu)化后電機(jī)的最大應(yīng)力滿足電機(jī)強(qiáng)度要求。完整的沖擊振動試驗(yàn)結(jié)束后，電機(jī)外觀無開裂、斷裂等異常，通電能夠正常運(yùn)行，滿足電機(jī)技術(shù)要求。

3 結(jié)論

基于有限元分析軟件對電機(jī)鳥頭吊掛進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是地鐵電機(jī)結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用之一。該文通過建立電機(jī)上吊掛的參數(shù)化模型，結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度分析，選取合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。經(jīng)過迭代運(yùn)算得出鳥頭吊掛的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，在機(jī)座強(qiáng)度、剛度與優(yōu)化前水平相當(dāng)?shù)那闆r下，優(yōu)化后的吊掛質(zhì)量減少了23%。優(yōu)化后的電機(jī)樣機(jī)順利通過了沖擊振動試驗(yàn)，驗(yàn)證了該文設(shè)計(jì)方法的可行性。該文針對電機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)可以為其他類似電機(jī)結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計(jì)提供參考，尤其對需要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與機(jī)械產(chǎn)品具有參考意義。