基于靈敏度分析的車身結構輕量化設計

姜艷林+李康+李華麗

摘要：就軌道車輛而言，車體鋼結構是影響整車力學性能的主要承載部件，為避免車體與轉向架產生共振，設計時要考慮車體的自振頻率和剛度。車體結構的低階彈性模態(tài)參數(shù)反映車身的整體動態(tài)剛度性能，是控制振動特性的關鍵指標。因此，本文選取車體結構一階垂彎模態(tài)頻率作為約束條件，同時把扭轉剛度作為重要評價指標，進行車體的輕量化設計。

關鍵詞：軌道車輛；車體結構；靈敏度

中圖分類號：U270.32 文獻標識碼：A

1 車體結構有限元模型

以25型客車為例，主要研究整備狀態(tài)下的車體一階垂彎模態(tài)，其結果如圖1所示，模態(tài)頻率為10.29Hz。

因車鉤位置較低，縱向拉伸力和壓縮力主要通過底架進行傳遞。相對而言，側墻和車頂?shù)膬?yōu)化空間充裕，并且對車體一階垂彎模態(tài)和剛度均會有較大影響。根據(jù)經驗，端墻結構對車體整體力學性能影響不大。所以，文中主要選取側墻和車頂?shù)慕Y構件作為設計變量，對這一部分板梁結構的厚度進行優(yōu)化。參與靈敏度分析的零部件如圖2所示，表1為車身零部件編號及優(yōu)化范圍，表中單位為mm。

2 靈敏度分析

車體結構作為一個復雜系統(tǒng)，具有很多設計變量，不能進行盲目修改。通過靈敏度分析可以確定各設計變量的板厚變化對車體重量、一階垂彎模態(tài)頻率和扭轉剛度的影響率，基于此分析結果確定優(yōu)化參數(shù)。

模態(tài)頻率反映車體的動態(tài)剛度特性，模態(tài)靈敏度分析主要計算模態(tài)頻率對設計參數(shù)的靈敏度；扭轉剛度則反映車體的靜態(tài)剛度特性，扭轉剛度靈敏度分析主要計算扭轉剛度對設計參數(shù)的靈敏度；同時計算車體質量對各設計參數(shù)的靈敏度。

2.1 模態(tài)靈敏度分析

文中以一階垂彎模態(tài)頻率作為分析對象，通過靈敏度分析確定了車體質量和一階垂彎模態(tài)頻率對各結構件厚度的靈敏度，分析結果如表2所示。

從表2中可以看出，底架波紋板、側墻板和車頂板的厚度變化不僅對車體質量的影響較大，而且對一階垂彎模態(tài)頻率的影響同樣較大。其次，對模態(tài)頻率影響較大的依次是側頂板、車頂彎梁和側墻立柱。

2.2 位移靈敏度分析

軌道車輛扭轉剛度的有限元計算方法是在頂車位置處施加垂向力來計算車體的扭轉角，進而再計算扭轉剛度。因此，扭轉剛度的大小亦可以用力作用點處的位移大小來評價，位移與扭轉剛度成反比關系。

本文在一、二位端頂車位置處分別添加垂向集中力。經計算，兩集中力作用點處位移對各板厚的靈敏度系數(shù)如表3所示。

靈敏度均為負值。如果要減小位移、增加扭轉剛度則需要增加板厚。

從表3中可以看出，只有側墻板對扭轉剛度的影響較大，而其它結構件的影響則相對比較小。

3 優(yōu)化結果分析

優(yōu)化分析的約束條件是：一階垂彎模態(tài)頻率不低于10Hz，扭轉剛度的降低量不超過5%。

對車體輕量化設計的途徑是：對質量靈敏度系數(shù)較大的結構件，減小其板厚。但這樣會導致整體剛度的降低。因此，對于質量靈敏度系數(shù)小而模態(tài)和剛度靈敏度系數(shù)大的結構件則增加其板厚，以保證車體具有足夠的剛度。

根據(jù)以上分析，減小側墻板、側墻橫梁、車頂縱梁和底架波紋板的厚度；增加車頂邊梁、側墻邊梁以及車頂彎梁的厚度；其余零部件厚度則保持不變。

經過優(yōu)化，各構件的板厚依次為（按編號排序）：2mm，2mm，2mm，4mm，3mm，2mm，2.5mm，2.5mm，2mm，1.2mm。

優(yōu)化后，車體一階垂彎模態(tài)頻率略有提高；一、二端力作用點處的位移均有所減少。優(yōu)化后的整車剛度略有增加。當按滿足剛度準則的要求來確定結構時，則可同時充分滿足強度準則。

優(yōu)化前、后車體性能參數(shù)的對比如表4所示。

對參與優(yōu)化的10個部件而言，優(yōu)化前的設計總質量為4.255t，優(yōu)化后為3.874t，質量降低8.95%，優(yōu)化效果顯著。由于本次優(yōu)化選取的部件數(shù)較少，故總重量減少并不多，僅381千克。

通過優(yōu)化車體的一階垂彎頻率和扭轉剛度均有所提高。根據(jù)表2，車體總質量和自振頻率對車頂邊梁、側墻邊梁和車頂縱梁的厚度不敏感，可以進一步減小板厚。

4 結論與建議

（1）經過優(yōu)化，車體重量降低，在沒有影響車體結構性能的同時，整車剛度分配更加合理。

（2）靈敏度分析結果反映出車身結構性能對各設計變量的靈敏程度，基于分析結果可以快速做出優(yōu)化，避免盲目設計。

（3） 后續(xù)還可以通過優(yōu)化端墻和平頂結構，以及優(yōu)化結構件的截面形狀來進一步降低車體總質量。endprint