調(diào)車機(jī)車底架結(jié)構(gòu)輕量化研究

單紹平 鐘恩松 毛乾亞

摘? 要：為滿足某調(diào)車機(jī)車對軸重的要求，建立車體結(jié)構(gòu)有限元模型，對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。在保證車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足要求的情況下，以底架質(zhì)量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，以底架結(jié)構(gòu)板厚參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，采用OPTISTRUCT軟件對底架結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化分析。分析結(jié)果表明：車體底架質(zhì)量減輕11.97%，滿足輕量化目標(biāo)要求，且輕量化后的車體結(jié)構(gòu)滿足EN12663-1：2010標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度和剛度的要求。

關(guān)鍵詞：調(diào)車機(jī)車;底架;輕量化;優(yōu)化分析

中圖分類號：U260? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0108-03

Abstract： In order to meet the requirements of some locomotive axle load， the finite element model for the shunting locomotive body is built and the static strength for the body structure is calculated. Considering the factors of structure strength and stiffness and taking the minimum quality of underframe as the goal and taking the plate thickness parameters of underframe as design variables， the size optimization analysis of underframe structure is achieved using OPTISTRUCT software. The optimization analysis results show that the total mass of underframe is decreased by 11.97% after simulation optimization design， which has reached the lightweight target， the strength and stiffness of lightweight underframe is consistent with the requirement of EN12663-1：2010 standard.

Keywords： shunting locomotive; underframe; lightweight; optimization analysis

1 概述

調(diào)車機(jī)車為罩式車體，底架承載結(jié)構(gòu)，底架輕量化可以有效降低調(diào)車機(jī)車軸重，進(jìn)而減少列車運(yùn)行阻力、降低牽引功率、提高運(yùn)行速度，減少運(yùn)行時(shí)沿線路基的振動(dòng)，并降低輪軌之間的噪聲[1]。車體底架輕量化設(shè)計(jì)是在保證車體基本性能滿足的前提下，運(yùn)用優(yōu)化的方法，盡可能減少多余材料的使用，提高材料利用率，從而達(dá)到有效減輕結(jié)構(gòu)重量的目的[2]。

本文以某調(diào)車機(jī)車底架為輕量化載體，建立機(jī)車車體有限元模型，計(jì)算8個(gè)工況下的靜強(qiáng)度和剛度。以此為基礎(chǔ)，建立機(jī)車底架優(yōu)化模型，以底架質(zhì)量最小化為目標(biāo)對底架的板厚尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

2 車體有限元模型與載荷工況

2.1 車體有限元模型的建立

該機(jī)車車體為底架承載結(jié)構(gòu)，底架承載鋼結(jié)構(gòu)均為Q345材料，其余鋼結(jié)構(gòu)為Q235。機(jī)車兩端為司機(jī)室，懸浮式結(jié)構(gòu)通過橡膠彈簧與底架連接，電氣室、空濾室、動(dòng)力室、冷卻室、制動(dòng)室等均通過螺栓與底架連接。車體整備狀態(tài)總重100.014t，底架承載結(jié)構(gòu)總重29.23t。簡化后的車體有限元模型如圖1所示。

2.2 強(qiáng)度分析評定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1：2010第5.3節(jié)和UIC566-1990第3.2節(jié)中對安全系數(shù)的規(guī)定，選擇兩者中的較大值作為評定安全因數(shù)。底架承載結(jié)構(gòu)為Q345鋼，其許用應(yīng)力如表1所示。

2.3 剛度評定

在車體起吊以及靜載工況中，兩個(gè)支座間車體邊梁的垂向撓度必須小于或者等于支座間距的千分之一。主要工況允許的垂向撓度如表2所示。

車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)是評價(jià)列車運(yùn)行安全性的一個(gè)重要參數(shù)。在列車的運(yùn)行過程中，若車體模態(tài)與轉(zhuǎn)向架的固有頻率相差不多，則有可能引起車體的共振。振動(dòng)的加劇將引起輪軌間作用力劇增，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及行車安全[3]。計(jì)算分析中要求整備狀態(tài)下車體一階垂向彎曲自振頻率與轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭剛體振動(dòng)頻率的比值應(yīng)大于或等于1.414。

3 底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

本文應(yīng)用OPTISTRUCT軟件對底架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化分析。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

采用OPTISTRUCT軟件進(jìn)行尺寸優(yōu)化的過程一般分三步：

（1）使用Hypermesh軟件創(chuàng)建適當(dāng)?shù)那蠼馄鬏斎胛募?/p>

a.建立有限元分析模型。

b.在OPTISTRUCT模塊下設(shè)置優(yōu)化問題。

目標(biāo)函數(shù)：

該優(yōu)化分析中對底架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的目的是在滿足強(qiáng)度和剛度約束要求下，減輕車體的質(zhì)量，即車體質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)。

約束條件：

車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的約束條件主要包括性能約束和邊界約束。車體的性能約束包括強(qiáng)度和剛度約束;邊界約束用于規(guī)定設(shè)計(jì)變量的取值范圍，即設(shè)計(jì)變量的上下限。

為了提高優(yōu)化的精度，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，將所有8種靜強(qiáng)度工況和整備狀態(tài)模態(tài)工況作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的載荷工況。

設(shè)計(jì)變量：

計(jì)算中以底架部件板厚為設(shè)計(jì)變量，共計(jì)71個(gè)。結(jié)合初始變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到了初步優(yōu)化結(jié)果和各變量的靈敏度。通過靈敏度的設(shè)計(jì)分析得到各設(shè)計(jì)變量對質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度以及振動(dòng)頻率的影響因子。

根據(jù)各設(shè)計(jì)變量對質(zhì)量的影響程度，進(jìn)一步調(diào)整設(shè)計(jì)變量的上下限。結(jié)合約束響應(yīng)（應(yīng)力、位移以及振動(dòng)頻率）的靈敏度分析結(jié)果，對于應(yīng)力分布不均和質(zhì)量較大的組件進(jìn)一步劃分。得出最新優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)變量減少至8個(gè)，進(jìn)行再次優(yōu)化分析準(zhǔn)備。

（2）定義OPTISTRUCT的參數(shù)卡片。

（3）運(yùn)行OPTISTRUCT計(jì)算。

（4）驗(yàn)證結(jié)果。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過5次迭代計(jì)算，底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程自動(dòng)完成。由于在優(yōu)化過程中，底架各部件厚度是連續(xù)變化的，優(yōu)化后板厚包含多位小數(shù)，為用于實(shí)際生產(chǎn)，需要根據(jù)企業(yè)要求及企業(yè)已有板材規(guī)格對優(yōu)化后的板厚進(jìn)行圓整。

底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后質(zhì)量對比結(jié)果如表3所示。

4 優(yōu)化后車體結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

按照優(yōu)化結(jié)果改變有限元模型中底架各個(gè)部件的板厚，對各個(gè)工況中，優(yōu)化后車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行驗(yàn)證，并與原結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。驗(yàn)證計(jì)算一律采用整車模型（底架、非承載結(jié)構(gòu)），為方便觀察底架結(jié)果，應(yīng)力云圖中隱藏了其他組件。由表4可以看出，優(yōu)化前底架的最大應(yīng)力為333.86MPa，優(yōu)化后底架的最大應(yīng)力為344.61MPa，都未超過材料的許用應(yīng)力，但最大應(yīng)力的位置發(fā)生了變化。

各主要工況，底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的車體邊梁最大垂向撓度對比如表4所示。

從表4可以看出，底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后，車體邊梁的最大垂向撓度都沒有超過允許值，優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

車體結(jié)構(gòu)的模態(tài)是評價(jià)列車運(yùn)行安全性和乘坐舒適性的一個(gè)重要參數(shù)[4]，尤其是低階模態(tài)，能反映車體整體的剛度性能[5]。優(yōu)化后整備狀態(tài)下車體一階垂向彎曲模態(tài)為6.31Hz，如圖3所示。優(yōu)化前整備狀態(tài)下車體一階垂向彎曲模態(tài)為6.46Hz，優(yōu)化前后都能有效避開轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭剛體振動(dòng)頻率（4.54Hz）。優(yōu)化前后車體的一階垂向彎曲頻率變化不大，說明底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后雖然車體的重量減輕，但其一階垂向彎曲頻率并沒有顯著降低。

5 結(jié)論

本文對某調(diào)車機(jī)車車體底架進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度計(jì)算工況和模態(tài)計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過初步優(yōu)化及靈敏度分析，得到了對底架結(jié)構(gòu)影響較大的各個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

（2）再次通過對各設(shè)計(jì)變量的參數(shù)化優(yōu)化，并對底架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算板厚值圓整，最終得到了合理的車體底架結(jié)構(gòu)。

（3）優(yōu)化分析表明，車體整備狀態(tài)下的自重由100.01噸減少為96.51噸，實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)減重3.50%，底架質(zhì)量由29.23噸減少為25.73噸，實(shí)現(xiàn)底架結(jié)構(gòu)減重11.97%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

（4）優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)皆能滿足UIC566-1990和

EN12663-1：2010標(biāo)準(zhǔn)中對強(qiáng)度的要求;整備狀態(tài)下車體結(jié)構(gòu)一階垂向彎曲振動(dòng)頻率為6.31Hz，有效地避開了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的振動(dòng)頻率，并與該機(jī)車車體初始結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率相當(dāng)。

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