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铁路车辆结构多层面优化设计研究及典型运用

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  摘要:我国的铁路运输是通过多种学科和多种领域所结合的产物,对于现今最为受欢迎的高速铁路就具有较高的性能要求,高速铁路通过解决国外各种难题,总结了先进的技术,通过不断创新和研究,逐渐提升自身的技术和能力,为我国铁路事业的发展提供了非常有利的条件。
  关键词:结构优化;设计研究;
  当前社会经济的发展,我们的铁路运输业正在迅速发展随着时间的推移,我们铁路系统的发展和进步在我国铁路车辆结构设计方面,逐步优化和创新已逐步得到重视这对铁路运输系统构成了巨大的挑战。
  一、我国铁路车辆结构优化设计发展状况
  随着时代的不断发展,我国铁路车辆输业也在不断的发展中,车辆系统更是得到了完善。从二零零六年起我国就提出了“铁路基础设施建设要加快,不断提升路网运输的功能,不断提升铁路自主创新的能力,实现铁路设备技术的现代化发展”的思想。而体现铁路现代化最明显的标志就是实现车辆设备的現代化,这样才能推进铁路技术良好发展。要想实现铁路运输设备的现代化,铁路部门就必须要运用先进、成熟、可靠的技术,才能有效实现铁路运输设备的标准化、系统化、信息化。我国铁路客运方式包括:内燃动车组、内燃集中牵引列车、电力集中牵引列车以及电力动车组等形式,这些铁路客运形式都是全世界广泛应用的方式,而且内燃动车组和电力动车组都是比较受欢迎的形式,它的编组相对比较灵活、相对比较方便安全。
  二、铁道车辆轻量化与结构优化
  在实现高速运行的诸多关键因素中,机车车辆轻量化无疑是重点之一。轻量化将涉及总阻力的大小、列车对线路的动力作用、磨耗、噪音等许多方面,显然为数众多的车辆轻量化的实现对高速运行将具有重大意义。轻量化的途径基本可以归纳为3个方面:计算理论及方法的应用及发展;结构设计的改进;新材料的采用及发展。下面仅就计算理论、方法的应用及发展进行阐述。计算力学领域里,结构分析及结构优化理论及方法的不断更新,使得工程结构的轻量化程度日益提高。车辆设计中采用结构优化方法,使其在保证一定的强度和刚度的前提下力争最轻的自重。结构优化理论的发展已不再是单纯要求设计师凭经验去创造设计方案,而是在初定结构基础上运用优化理论去寻求例如作为目标函数的重量等等的最优值,从而获得最佳结构设计。结构优化理论的研究及其软件研究在我国已开始活跃与发展,在工程实际上已取得初步成果,其中有代表性的是具有国际先进水平的DDDU-2优化程序系统,而这个程序系统的一个突出特点是,能够直接解决实际工程中应用极为广泛的含梁结构的优化设计问题。因为空间梁不仅受力复杂,而且其横截面上的9个特性量之间的关系也很难确定,国外的几个知名的程序对它都采取了回避的态度。专门为铁道车辆开发的专用结构优化设计软件(TCJY),则在处理复杂截面梁的优化方面有其独到之处。铁道车辆设计具有下述一些特点:各类客、货车辆基本结构各自有很大相似性,结构对称性好;有“铁道车辆强度设计及其试验鉴定规范”为依据,因此载荷标准化,约束规范化;但是结构的杆、梁截面形状复杂,存在无任何对称性的复杂截面,这一特点在客车结构中尤为突出。针对这一问题,该系统很好地处理了梁截面物理参数之间的函数关系的表达问题,提出了统一的精度表达形式,从而解决了无对称轴的复杂截面的优化问题。铁道车辆可以简化成为一个杆—梁—膜的组合结构,或一个杆—梁组合结构,在车辆结构中梁是起主要作用的构件,其横截面形状复杂,种类繁多,如用回归统计的方法求得这些梁截面特性量之间的函数关系式,则其工作量是极其庞大的。
  三、铁路车辆结构多层面优化设计研究
  1.对近似模型优化的技术研究。对于铁路车辆结构工程来说是一些非常复杂的工程内容,而在铁路车辆复杂的工程结构中,近似模型是非常重要的内容。在工程结构中,不同的形态函数是设计变量的隐函数,所以在进行此项工作时,必须要基于有限元法才能有效进行。也就是说对于当前的设计点上的有限元模型进行重新分析。车辆结构工程结构比较复杂,有限元模型计算量也是相对比较大的,消耗的时间也比较长,如果运用有限元分析的方法作为优化设计内容,那么其工作比较难开展,因此要想提高优化分析的效率,则必须要运用近似模型来替代有限元分析的形式,所以近似模型对车辆结构的优化更具有可行性。
  2.转向架轴箱转臂结构拓扑优化研究。在进行结构优化中是可以通过划分其难易程度从这三个层次进行有效的优化,分别是对尺寸进行优化、对形状进行优化、对拓扑进行优化。而对于拓扑优化来说它是在尺寸优化和形状优化两者发展后而形成的优化形式,它的主要目的就是设计有利的空间,为结构创建出最佳的传力形式,并以减少材料进行传递外载荷,形成最好的布局效果。转臂是铁路客车中转向架的最重要的部件,它是连接构架和车轴的重要部分,它的一端是通过弹性定位节点来连接构架定位座,而另外一端要与装在轴箱弹簧外侧垂向部位的减震器进行连接。在对转臂结构拓扑模型进行优化设计时,前提是满足设计强度,并要有效降低结构的重量,通过变密度法对转臂结构进行拓扑优化,这样才能保障车辆结构进行有效优化。
  3.高速铝合金车体优化设计研究。在对结构进行优化设计时,人们通常会想起结构优化模型设计,并运用优化算法来进行此项工作,但是还有另一种方法,就是利用敏度信息的比较择优法对结构进行优化,其主要是通过敏度进行分析,操作形式相对比较简单且易操作,对于高速铁路的客车车体设计来说,就可以通过这一形式进行优化,高速列车车体轻量化是铁路车辆最重要的工作项目。而铝合金密度较小,强度比较高,具有较强的耐腐蚀性,成型效果相对较好,高速铁路的列车采用铝合金材质是最佳的选择,但是在执行当中却受很多因素的影响。因此在进行敏度分析时,一定要根据实际情况,选择最佳的状态,再对其位移敏度、应力敏度进行有效的分析,并运用有效措施创建高速铝合金车体的高精度的模型,再对其进行有限元进行有效分析,对车体的位移敏度和应力敏度进行计算,在根据实际经验,设计出轻量化车体优化方案,为高速客车打造轻量化的车体。
  4.增压器压气机叶片静动态一体化优化设计研究。对于铁路机车和内燃动车组采油机来说,多数都是利用了废气涡轮增压器进行运作,而现今随着我铁路车辆的高速化和重载化,因此必须要对增压器进行优化,达到增压器的高压比、高效率等功能,对于传统的增压器来说,增压器压气机叶片静动一体化优化的设计是更加能够符合现今社会发展需求。压气机叶片是典型的多场藕合问题,其中包含气动力学、振动力学和结构力学等,因此必须要保障压气机气动性能,保障结构强度和振动特性的约束,从而进行多学科一体化的优化设计工作。“对于增压器压气机叶片静动态一体化优化设计研究”。首先要对压气机叶片进行三维参数化建模,再利用全三维流场进行分析,从而得到叶片的表面压力,其次在利用线性差值实现启动到结构藕合信息的传递功能,再次利用I一DEAS和ANSYS软件来分析其叶片的静动状态特性,从而对叶片结构轻度和振动频率进行多学科一体化的优化,来实现其增压器压气机叶片静动态一体化优化设计。
  随着我国对铁路运输车辆系统的不断发展,国家必须要重视车辆结构多层面优化设计工作,并根据其特点和所存在的问题对其进行有效的优化,这样才能保障铁路车辆系统发展的,以更好的适应现今社会,良好的推动我国经济的发展。
  参考文献:
  [1]李涛.探究我国铁路运输安全理论与技术体系[J].商,2016(17):266.
  [2]马研.铁路车辆脱轨事故的研究与对策[J].科技创新与应用,2014(13):297.
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