空鐵Y形立柱金屬結構多層輕量化設計研究

范生龍 馮應龍

摘 要：我國近些年城市發展迅速，交通問題已經成為制約城市進一步發展的阻礙，催生了空鐵系統的應用。為讓空鐵運營更加安全，本文對于線路中大量使用的Y形立柱金屬結構進行多層式輕量化設計，保證結果使用的穩定性。旨在為我國未來空鐵系統進一步發展，緩解城市交通壓力貢獻力量，推動城市健康有序發展。

關鍵詞：空鐵Y形立柱金屬結構;多層輕量化;設計研究

前言：空鐵全稱為懸掛式空中單軌交通系統，利用城市的空間資源，設置空中軌道，實現城市居民的遠距離移動，這對于城市交通壓力具有重要意義。而空鐵線路需要使用大量Y形立柱負責承載線路壓力，為提高Y形立柱使用安全性，需要對Y形立柱金屬結構進行系統性的輕量化設計。

1參數化建模

使用ANSYS 2019RS軟件中，對于空鐵Y形柱做參數化建模，可以為之后的金屬結構優化提供便利條件[1]。如圖1所示的Y形立柱局部結構示意圖。

為確保本文的輕量化設計具有實用價值，對于幾種常見的危險工況進行簡述：第一種：兩列空鐵的車尾為同一方向，并處于立柱和走行梁連接位置的軸上，而風載則和空鐵的制動方向保持同一方向。這個時候立柱和走行梁連接位置的單根軸，需要承受沿著行梁方向產生的最大偏向載荷;第二種：空鐵正在異向行駛，其車尾位置在立柱和走行梁連接位置的軸上，而制動方向則和空鐵行駛方向保持相同方向，風載沿著走行梁有向右偏移的趨勢。這個時候立柱擁有逆時針最大扭轉力;第三種：空鐵在立柱的正中間位置，風載方向和車輛制動方向保持相同方向。這個時候立柱擁有最大的承載力;第四種：客車在立柱的正中間位置，車輛保持制動狀態，空載與風載則是和走行梁保持垂直狀態。這個時候的立柱是和走行梁偏載呈垂直狀態，也是空鐵運行最危險的工況。

2優化現有約束條件

以《鐵路橋梁鋼結構設計規范》相關規定，針對Y形立柱金屬結構的剛度、強度等作為優化約束條件應用。

2.1強度約束

因為Y形立柱金屬結構應用Q345鋼，會因為厚度提升而影響鋼材的屈服極限。在金屬板厚度處于63mm～80mm之間時，屈服極限為315MPa。又因為Y形立柱金屬結構板大多是70mm后，可以參考《起重運輸機金屬結構》，獲得其安全系數ni為1.34[2]。

所以，Y形立柱金屬結構的綜合應力為：

在各類危險工況載荷組合下的最大綜合應力σmax，需要以σmax≤[σs]為準。

2.2剛度約束

如果危險工況荷載出現在特定位置，需要保證該位置的彈性變形值為LD≤[LD]，即Y形立柱金屬結構在危險工況荷載影響下產生的最大位移，需要低于其許用位移。因為Y形立柱是一端被固定，另一端是可以根據使用需求自由移動，所以其許用位置和立柱高度H有以下關系：

2.3穩定性約束

如果綜合荷載超過某個臨界值，走行梁會在垂直方向產生變形，同時會在水平方面因急劇變形導致扭轉現象，進而影響Y形立柱的支腿位置無法保持良好的穩定性，需要關注穩定性約束，以公式（3）為準。

其中，σ為Y形立柱支腿的結構穩定性應力;Mx、My為走行梁和立柱支腿作用于X軸、Y軸的彎矩;N是立柱支腿產生的軸向壓力;A是立柱支腿截面積;Wx、Wy是在X軸、Y軸的截面抗彎模量;φ是軸心壓桿穩定系數。

利用《起重運輸機金屬結構》提供的表格，可知長細比，μ1是由支腿支撐情況影響的折算長度系數，而Y形立柱可以認為是一端固定一端自由，取值為2;μ2是變截面折算的長度系數，可以通過查詢表格，取1;r是支腿截面半徑[3]。

在分析四種危險工況后，發現N的變化幅度有限，可以認為保持基本不變，可以確定決定應力受到彎矩與抗彎模量比值影響。又因為四種危險工況的抗彎模量保持一致，所以彎矩是影響應力的主要因素。第一種工況彎矩是超過其他三種工況彎矩約一個數量級，所以具有最大的危險性。

3空鐵Y形立柱金屬結構多層輕量化設計

把第一次優化結果當成修改空間，并以此展開下一次優化分析，這種模式即為多層優化。本文現通過ANSYS軟件，以零階優化獲得第一優化結果，并應用一階優化方法對設計做進一步優化。

因為Y形立柱高度不會發生太大變化，同時耳板高度、耳板之間距離、和走行梁配合使用的尺寸不變，所以僅選擇圖1中的L1、L2、L6作為設計變量應用。考慮到支腿需要維持穩定性，所以也選擇把支腿截面長度ZW、Y形立柱板厚T1、耳板板厚T4作為設計變量應用。以Y形立柱金屬結構重量W（X）最低值作為目標優化函數，其模型可以整理為：

在對Y形立柱的模型求解后，對于狀態變量進行提取，配合待優化設計，對于目標函數作多層優化計算，最后在29階收斂時，函數達到最優解。

在優化后T1從-14.3%降低至-21.4%，有效縮減板厚。而四種危險工況也在多層輕量化設計中得到有效控制，降低空鐵行駛的危險性。

結論：受限于篇幅限制，本文對于空鐵Y形立柱金屬結構多層輕量化設計并沒有設計過深，所以在實際應用時還請搭配其他資料，對于Y形立柱金屬結構做更深層次的研究，實現安全可靠的輕量化設計。希望本文內容可以為一線設計人員提供幫助，推動空鐵系統的大規模應用。

參考文獻

[1]朱遠，張業成，羅生梅.基于拓撲優化的立柱結構輕量化設計[J].計算機仿真，2019，36（09）：230-235.

[2]劉新磊，姜鑫，劉雙銘.FSEC賽車前立柱輕量化優化設計[J].山東工業技術，2020（05）：90-95.

[3]李天箭，丁曉紅，李郝林.機床結構輕量化設計研究進展[J].機械工程學報，2020，56（21）：186-198.