基于軌檢車柴油發電機組吊座筋板的優化

楊會會 廖平 董靜

摘要：針對某型軌檢車車下個別柴油發電機組特殊油箱吊座模塊在仿真計算的過程中出現局部靜態應力超出材料許用應力問題，從結構和材料兩個方面對該吊座提出了3種優化方案，通過CAE靜強度仿真計算并結合屈服安全系數判定方法，得出優化方案3的屈服安全系數為1.586，其值大于1.15，其結構更加合理，為以后類似結構的優化設計提供了一定的參考。

Abstract： In order to solve the problem that the local static stress exceeds the allowable stress of the material in the process of simulation calculation of some special oil tank hanging seat module under a certain type of rail inspection vehicle， three optimization schemes are proposed from the structure and material aspects. Through the CAE static strength simulation calculation and combined with the yield safety factor determination method， the yield safety factor of optimization scheme 3 is 1.586， which is greater than 1.15， and its structure is more reasonable， which provides a certain reference for the future optimization design of similar structures.

關鍵詞：軌檢車;油箱吊座模塊;屈服安全系數;優化

Key words： rail inspection vehicle;oil tank hanger module;yield safety factor;optimization

中圖分類號：U273.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0023-03

0? 引言

隨著軌道交通行業的飛速發展，軌道也隨之被廣泛應用，因此軌道幾何狀態的檢測也變得尤為重要[1]。中車南京浦鎮車輛有限公司設計的某型軌道檢查車可實現最高檢測速度160km/h運行條件下對軌道幾何狀態進行雙向檢測，這款車車下個別特殊油箱吊座模塊結構在CAE仿真計算的時候出現局部靜態應力超差的現象，存在安全隱患，針對此問題，本文對該結構進行優化并結合CAE仿真計算，得出了此優化結構的可行性，為以后類似結構的優化設計提供了思路和方法。

1? 油箱吊座模塊結構描述

圖1給出了某型軌檢車車下柴油發電機組油箱吊座模塊結構，由一塊折彎的立板和兩塊筋板組焊而成。受該型軌檢車車下設備布局空間的限制，此車型車下部分油箱吊座模塊的個別筋板和車下制動吊座模塊出現干涉情況，圖2給出了三維干涉狀態，因此需在油箱吊座模塊干涉的個別筋板上切除部分結構以滿足與制動吊座模塊的安裝配合，圖3給出了需要切除部分結構的特殊油箱吊座模塊的結構圖。

2? 靜強度理論及驗收規范

根據第四強度理論，計算復雜應力結構時，采用當量計算應力進行求解校核[2]，其計算公式為：

（1）

式中：？滓e——當量應力，MPa;

？滓i——主應力（i=1，2，3），MPa。

在判定結構是否滿足靜強度要求時，可引入屈服安全系數其計算公式如下[3]：

（2）

式中：R——材料屈服點（Rel）或0.2%的實用彈限應力（Rp02），單位：N/mm2;

？滓c——計算應力，單位：N/mm2。

其中在僅利用計算驗證設計時S1應取1.15，故當所計算的屈服安全系數S不小于1.15時，該結構才能滿足靜強度要求。

3? 特殊油箱吊座模塊結構分析

針對需要切除部分結構的個別特殊油箱吊座模塊結構，本文結合CAE仿真對該結構進行了靜強度分析計算，表1給出了該油箱吊座模塊的結構屬性。在本文中所有涉及坐標系的方向規定如下：

X向：對應于車輛車體縱軸，正方向為運動方向;

Z向：對應于車輛車體豎向軸，正方向指向上方;

Y向：對應于車輛車體橫軸，為水平平面，構成了右手坐標系。

表2給出了CAE仿真時的強度計算工況，其中縱向沖擊工況可根據屈服強度進行校核，因此可根據式（2）中的屈服安全系數是否不小于1.15來判斷結構的合理性。

圖4給出了特殊油箱吊座模塊結構的在縱向沖擊工況下的應力云圖，由圖可知該結構在此工況下最大靜應力達到了331.43MPa，由式（2）可得其屈服安全系數為0.709，其值小于1.15，故此特殊油箱吊座模塊結構并不滿足屈服強度要求，存在一定的安全隱患。

4? 特殊油箱吊座模塊優化分析

針對以上特殊油箱吊座模塊結構屈服強度不滿足要求的情況，本文從結構和材料兩個方面提出3種優化方案，表3給出了此3種優化方案內容。針對優化方案1對該結構應力較大的筋板缺口處進行結構優化改進，將該筋板缺口處的一些結構尖點進行平滑過渡處理，圖5給出了該特殊油箱吊座模塊優化前后的結構。針對優化后的結構按縱向沖擊工況再對其進行仿真計算。

圖6給出了結構優化后的應力云圖，由圖可知該結構在此工況下最大靜應力為223.87MPa，與結構優化前相比應力下降較大，故可得從結構方向進行該結構優化是可行的，表4給出了該結構優化前后的計算結果，圖7給出了幾種方案的屈服安全系數曲線。但由表4和圖7可知針對優化方案1其屈服安全系數為1.050，其值仍小于1.15，故在此情況下的結構仍存在安全隱患問題。現針對優化方案2僅從材料優化的角度考慮，僅將Q235B材料改為Q355NE的材料，由表4和圖7可知其屈服安全系數為1.071，其值仍小于1.15，故在此情況下的結構仍存在安全隱患問題。因此針對優化方案3同時對結構和材料進行優化，由表4可知其屈服安全系數為1.586，其值大于1.15，其結構滿足屈服強度使用要求，同時由圖7得出屈服安全系數S隨幾種優化方案的改進而逐漸增大，尤其在優化方案3時屈服安全系數S達到最大且超過了S1的1.15，故優化方案3中同時對結構和材料進行優化是比較合理的。

5? 結論

①針對特殊油箱吊座模塊的特殊結構問題，本文從結構和材料兩個方面對該吊座提出了3種優化方案，并結合CAE靜強度仿真計算和屈服安全系數判斷方法，得出優化方案3的屈服安全系數為1.586，其值大于1.15，證明其結構更加合理。

②針對結構問題的優化，本文提出的從結構優化到材料優化最后再到結構和材料同時優化的優化思路是可行的，為以后類似結構的優化設計提供了一定的參考。

參考文獻：

[1]程志全.軌道檢測車的運用[J].中國鐵路，2015（05）：82-85.

[2]TB/T1335-1996，鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].

[3]BS EN12663-1：2010， Railway applications-Struc-tural requirements of railway vehicle bodies[S].

[4]趙尚，熊德偉，黃曉燕，李雪.地鐵車輛轉向架齒輪箱吊座結構優化[J].城市軌道交通研究，2014，17（12）：65-68，72.

[5]Z.Y. Qin， S.Z. Yan， F.L. Chu. Finite element analysis of the clamp band joint.2011， 36（1）：463-477.

[6]張治琪，李世蕓，王曉東，仝小田，吳磊.軌道吸污動力車結構靜強度分析[J].農業裝備與車輛工程，2020，58（09）：82-85.

[7]Ficarella E.， Lamberti L.， Degertekin S.O.. Comparison of three novel hybrid metaheuristic algorithms for structural optimization problems. 2021， 244：106395-.

[8]Suguang Dou， Mathias Stolpe. On stress-constrained fail-safe structural optimization considering partial damage. 2021， ：1-5.

[9]姜雷.軌檢車車架強度的有限元分析[J].鐵道建筑，2009（01）：12-14.

[10]趙民，孫晶，王宇，王錚錚.某汽車座椅頭枕靜強度仿真分析與優化[J].機械設計與制造，2020（08）：73-75，79.

[11]楊海江，宋偉科.飛行塔類游樂設施座艙吊掛裝置結構分析[J].中國特種設備安全，2016，32（04）：73-76.