跨坐式單軌車輛車體結構輕量化研究＊

杜子學 潘麗雯

（重慶交通大學，400074，重慶∥第一作者，教授）

優化設計這一現代設計方法是20世紀60年代隨著電子計算機的廣泛使用而迅速發展起來的一門新的學科。所謂優化設計就是：在規定的各種設計限制條件下，將實際問題首先轉為最優化問題，然后運用最優化理論和方法，在電子計算機上進行自動調優計算，從滿足各種設計要求及限制條件的全部可行方案中，選定出最優設計方案。

尺寸優化，是對模型形狀有了一定的形狀設計思路后所進行的一種細節設計。對于單軌車輛的尺寸優化而言，即是通過改變結構單元的屬性，如殼單元的厚度、梁單元的橫截面屬性、彈簧單元的剛度和質量單元的質量等，以達到一定的設計要求（如應力、質量、位移等）。

隨著高速鐵路的發展以及新型超長、精密大斷面鋁型材的生產和焊接技術不斷進步，鋁合金在高速客車上的應用得到了極大發展，鋁合金車輛數量猛增。如果對鋁合金車體輕量化設計，可以減少制動力以及對軌道線路的靜、動載荷，使線路的維修周期大大延長，同時可降低維修費用和制造費用，延長大修期，使各部件厚度的分配更趨合理。

傳統的結構設計，要求人們根據經驗并通過判斷去創造設計方案；隨后的力學工作實質上是對給定的方案作力學的分析，校核它是否安全和可行。結構優化設計是一種規格化的設計方法，要綜合各方面的因素、要求、約束條件等，將設計問題按優化設計所規定的格式建立數學模型，選擇合適的優化方法及計算機程序；然后再通過計算機的計算，自動獲得最優設計方案，從而產生一個理想的設計。

1 基于車體構件厚度的優化設計

眾所周知，減輕車輛的自重可以提高其動力性、節約原材料成本，還能減少其運行時的能耗。因此，在保證車輛具有良好運行性能的條件下，對車輛進行輕量化設計具有重大意義。結構尺寸優化是一種較為簡單和直接的輕量化優化方法，在優化設計過程中通常將構件的尺寸參數（如板的厚度、桿的橫截面積等）作為設計變量。結合該車體結構的實際情況，對其進行尺寸優化從而達到減重的目的是可行的。本文以車體構件厚度為設計變量，通過改變車體構件厚度值來達到輕量化的目的。

2 車體結構優化模型的建立

根據重慶輕軌2號線跨坐式單軌車輛的實際尺寸對頭車車體進行三維建模（見圖1）。

圖1 跨坐式單軌車輛頭車車體模型圖

在建立好跨坐式單軌車輛頭車車體的三維幾何模型之后，利用軟件提供的數據轉換接口，以適當的數據格式將其轉換到有限元分析軟件中，并對其結構進行離散。在利用大型通用軟件進行有限元分析時，對于結構復雜、規模較大的模型通常都采用這種方法。采用這種方法進行有限元建模時，有必要在有限元分析軟件中對模型進行幾何清理，修正幾何之間的拓撲關系，以便于進一步地劃分網格。由于該車體主要由薄板、薄壁梁等構件組成，因此采用二維板殼單元模擬車體的結構，并根據材料厚度的不同、材料類型的不同，分別劃分為不同的單元。有限元模型如圖2所示。

圖2 車體有限元模型

3 優化的結果與車體輕量化方案

對建立好的車體結構優化模型進行計算分析，便可以得到該尺寸優化的結果。車體各構件的厚度可用彩色云圖表示，不同顏色代表不同厚度，優化前的車體構件厚度云圖如圖3所示。

優化后的車體構件厚度云圖如圖4所示。

圖4 優化后的車體構件厚度云圖

通過前后車體構件的厚度云圖對比可知：經過尺寸優化設計，車體各個組成部分的某些構件厚度有所減小。可以從表1所示的程序計算的結果文件中看到優化后各個構件的具體厚度值（表中最右側一列為優化后部分構件的厚度值）。

由于優化時只對其強度進行了約束，因此有必要在尺寸優化后對車體結構的剛度進行校核。按照優化后的構件厚度結果，對車體進行剛度分析的結果表明：該車的垂向彎曲剛度和扭轉剛度均滿足要求。

表1 結果文件部分數據（DESIGNED PROPERTY ITEMS TABLE）

優化后的構件厚度值保留小數點后三位，但實際加工時一般要求厚度為整數。對優化后的厚度結果值取整數作為最終的構件厚度值。但為了安全起見，一般要求所取的整數值不小于實際計算結果的厚度值。對該車體進行了尺寸優化后，整個車體的質量由原來的17t減到15.1t，減輕11%。

4 結語

本文以跨坐式單軌車輛車體構件厚度為設計變量，車體質量最小化為目標函數，車體構件應力為約束條件，對其進行了尺寸優化設計，從而減輕了車體的質量，達到了輕量化的目的。結果表明，尺寸優化后，車體重量減輕了11%，并且車體強度和剛度也都符合使用要求。

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