高速動(dòng)車組鋁合金車體結(jié)構(gòu)分析及基于靈敏度分析的優(yōu)化探討

紀(jì)磊 許信

摘 要：在中國(guó)高速鐵路的發(fā)展過程之中，取得了一系列的成績(jī)，使得我國(guó)的高鐵技術(shù)已經(jīng)處于世界的領(lǐng)先水平。與此同時(shí)，在其發(fā)展的工程之中，還在主要的城市以及主要的經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)了城際高速動(dòng)車。我國(guó)根據(jù)自身的發(fā)展需要也引進(jìn)了一些先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)我國(guó)高速動(dòng)車的設(shè)計(jì)以及發(fā)展具有重要的意義。筆者在文中主要對(duì)其鋁合金車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)其靈敏度優(yōu)化的措施進(jìn)行一定的探究。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組；鋁合金車體結(jié)構(gòu)；靈敏度分析；優(yōu)化探討

在2004年我國(guó)在德國(guó)和法國(guó)對(duì)高速列車進(jìn)行引進(jìn)，在10多年的發(fā)展之中，我國(guó)已經(jīng)由最初的起步階段發(fā)展到對(duì)外進(jìn)行輸出的階段，這表明我國(guó)的高鐵技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的成就。在這些成就的背后必須具有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，這也是我國(guó)高鐵在未來發(fā)展之中的重要因素，其中最為主要的組成部分是高速動(dòng)車組的鋁合金車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，因此，對(duì)其進(jìn)行研究與吸收具有重要的實(shí)踐意義。

一、對(duì)靈敏度分析的分類以及方法分析

通過在設(shè)計(jì)變量選取的基礎(chǔ)之上對(duì)其靈敏度分析進(jìn)行分類，可以將其分為形狀靈敏度與尺寸靈敏度，二者之間的主要差別在于其設(shè)計(jì)變量選取不同，形狀靈敏度主要是對(duì)其節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行考慮，而尺寸靈敏度主要是對(duì)其截面尺寸進(jìn)行考慮。在對(duì)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程之中，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度計(jì)算時(shí)可以分為確定性與非確定性。對(duì)于靈敏度的分析可以分為靜態(tài)相應(yīng)與動(dòng)態(tài)相應(yīng)。在靜態(tài)相應(yīng)靈敏度之中主要包括的類型有應(yīng)力、應(yīng)變、位移靈敏度等。如果節(jié)點(diǎn)位移靈敏度已知，這樣就可以對(duì)應(yīng)力以及應(yīng)變靈敏度進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于靈敏度進(jìn)行分析的方法可以劃分為兩大類，一類是建立在計(jì)算策略基礎(chǔ)之上，一類是建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析之上。在第一類方法之中又包含有離散法和變分法。其中離散法又可以具體分為在理論公式基礎(chǔ)之上進(jìn)行操作的方法，在有限元理論之上進(jìn)行操作的方法。

二、進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一般性過程分析

建立在有限元法基礎(chǔ)之上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與對(duì)靈敏度進(jìn)行分析，需要建立相應(yīng)的有限元模型以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在有限元模型的構(gòu)件之中，應(yīng)該保證其機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確性，同時(shí)還應(yīng)該保證對(duì)問題進(jìn)行優(yōu)化的合理性。對(duì)于問題優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，首先需要對(duì)其設(shè)計(jì)變量X進(jìn)行確定，這對(duì)其結(jié)構(gòu)性特征具有決定性作用，在這些參數(shù)之中包含有設(shè)計(jì)參數(shù)和拓?fù)鋷缀螀?shù)。在設(shè)計(jì)參數(shù)之中主要包含的是不同構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸、截面的面積等，在拓?fù)鋷缀螀?shù)之中，主要包含的內(nèi)容是桿件的長(zhǎng)度、間距、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等。在這些參數(shù)之中，一部分是常數(shù)，已經(jīng)提前給出；另一部分是變量。因此，優(yōu)化問題的邊界條件是由設(shè)計(jì)變量的上下所構(gòu)成。其次，在對(duì)問題進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)之中，應(yīng)該滿足兩個(gè)條件才可以有效 發(fā)揮作用。一是要保證結(jié)構(gòu)正常地發(fā)揮作用，即保障狀態(tài)變量的有效性；二是要滿足相關(guān)的規(guī)定以及在構(gòu)造和工藝上的相關(guān)要求，即界限約束。在進(jìn)行有限元的分析過程之中為目標(biāo)函數(shù)、約束條件提供了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)相應(yīng)。

在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的過程之中，往往將結(jié)構(gòu)的分析以及算法聯(lián)系在一起，并且建立相關(guān)的優(yōu)化模型。在對(duì)結(jié)構(gòu)模型的有限元分析之中，可以得到對(duì)相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值以及性能約束值。通過對(duì)優(yōu)化算法進(jìn)行有效地應(yīng)用，可以求得目標(biāo)函數(shù)的相應(yīng)解，因此，在對(duì)其進(jìn)行使用的過程之中，可以根據(jù)優(yōu)化機(jī)構(gòu)的不同而選擇相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)以及性能約束，進(jìn)而對(duì)其結(jié)果進(jìn)行較為精確的求得。

三、對(duì)車體結(jié)構(gòu)靈敏度進(jìn)行分析與優(yōu)化的設(shè)計(jì)

通過對(duì)車體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的分析，可以找到影響車體性能的部件，并采取有效措施對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。筆者提出兩個(gè)優(yōu)化方案，一個(gè)是對(duì)車體的18個(gè)主要部件的厚度進(jìn)行優(yōu)化；一個(gè)是針對(duì)不同的部件靈敏度值不同，對(duì)其部件進(jìn)行優(yōu)化。文章的優(yōu)化模型的確立主要是通過對(duì)車體的結(jié)構(gòu)靈敏度進(jìn)行了一定的分析與優(yōu)化而實(shí)現(xiàn)的。在該模型之中，其目標(biāo)函數(shù)是結(jié)構(gòu)之中的最小質(zhì)量。在對(duì)應(yīng)力約束方面，在進(jìn)行優(yōu)化的過程之中，其車體的強(qiáng)度會(huì)受到結(jié)構(gòu)尺寸改變的影響，因此，應(yīng)該在進(jìn)行應(yīng)力約束的過程之中對(duì)其進(jìn)行有效的控制，以避免在優(yōu)化過程之中出現(xiàn)應(yīng)力水平不穩(wěn)定的狀況。為了使得車體的剛度水平能夠其標(biāo)準(zhǔn)的要求，其另一個(gè)約束為車體的垂向最大位移。

在進(jìn)行車體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程之中，應(yīng)該選擇最具有代表性的工況進(jìn)行優(yōu)化分析，這樣能夠?qū)ζ鋺?yīng)力進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算，進(jìn)而得出其應(yīng)力的狀況。與此同時(shí)，在進(jìn)行工況選擇的情況下，為了使得其優(yōu)化的結(jié)果更加具有普遍代表性，可以選擇最惡劣的工況，如果進(jìn)行優(yōu)化后的車體能夠在此種狀況下滿足其基本要求，那么在其它的工況之下也會(huì)使其相應(yīng)的性能得到滿足。

四、結(jié)語(yǔ)

文章通過對(duì)高速動(dòng)車組列車車體優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并且通過相關(guān)的計(jì)算方法對(duì)其局部強(qiáng)度進(jìn)行了精確地計(jì)算，將其與實(shí)際測(cè)點(diǎn)值進(jìn)行了比較與研究。基于靈敏度進(jìn)行分析的方法對(duì)其車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，并對(duì)其性能進(jìn)行一定的評(píng)估，以獲得最優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果。鋁合金車體結(jié)構(gòu)是高速動(dòng)車組列車的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析能夠?yàn)閯?dòng)車組列車設(shè)計(jì)的發(fā)展帶來一定的促進(jìn)作用，使其其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，以提升我國(guó)動(dòng)車組列車發(fā)展的總體水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 張文霞.CRH5動(dòng)車組內(nèi)端墻對(duì)車體結(jié)構(gòu)整體承載性能的影響分析及輕量化研究[D].北京交通大學(xué)，2015.

[2] 胡志峰.標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組中間車體側(cè)墻輕量化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2016.

[3] 張鵬.低溫服役條件下高速動(dòng)車組車輪失效機(jī)理及疲勞可靠性評(píng)價(jià)研究[D].浙江理工大學(xué)，2017.