動車組排障器優化設計

劉星宇，李婭娜

動車組排障器優化設計

劉星宇，李婭娜

（大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028）

動車組排障器作為車頭下懸掛設備，對列車運行安全以及運行環境有著極為重要的影響，必須對它進行強度分析及輕量化設計。本文基于EN 15227-2020標準對動車組排障器進行靜強度分析，確定危險工況，并提出以拓撲優化以及試驗設計－響應面優化的綜合優化方法，對排障器底板冗余材料進行拓撲優化。通過試驗設計擬合出響應面，采用GRSM方法對響應面進行二次優化。通過兩次優化，排障器質量共減輕17%，各板件母材及焊縫處的強度安全系數均滿足要求，使得排障器材料分布更為合理，質量更輕，為動車組排障器設計提供了新的思路以及方案。

排障器；靜強度分析；拓撲優化；靈敏度分析；響應面優化

隨著我國高速鐵路發展越來越迅速[1]，對動車組運行安全提出了更高的要求。排障器[2]為車頭下懸掛設備，是動車組的重要組成部分，其主要作用是排除軌道內側的障礙物，保障運行安全。對動車組排障器的設計與優化是近些年學者研究的主要方向，對其進行仿真、試驗驗證以及輕量化都尤為重要。

童小山等[3]設計了一款高安全性排障器，對其進行有限元計算以及試驗驗證，結果滿足EN 15227標準的強度要求。孫業琛等[4]依據某高速動車組的靜強度分析結果，對排障器內部骨架結構進行拓撲優化，接著對模型進行尺寸優化，實現排障器的輕量化。李永華等[5]以損失模型為理論基礎，對動車組排障器進行穩健優化設計，不僅使得排障器強度提高、質量減少，還使得質量特性也有所改善。在內燃機車排障器設計優化中，譚惠日等[6]基于多工況下對排障器進行拓撲優化以及尺寸優化，使得排障器在輕量化的同時，結構應力分布更加均勻、合理。在設計分析過程中，為提升有限元分析效率，吳承浩等[7]基于TCL語言開發出能夠識別鐵道車輛排障器焊接結構板厚和焊接接頭位置的信息模塊，并基于Hypermesh平臺設計出適用于排障器的流程化分析系統，提高了分析設計的效率，縮短了研發周期。在研究和設計軌道車輛排障器的過程中，近些年大部分學者進行拓撲優化時只關注排障板，在進行輕量化時使用單一方法，沒有進行變量的篩選。本文基于動車組排障器模型，對整體排障器材料冗余部位進行拓撲優化，并且進行試驗設計－響應面優化，對排障器關鍵部件進行輕量化[8]，從而達到整體的結構優化。

本文提出一種拓撲優化以及響應面優化的組合優化方法。首先對動車組排障器進行靜強度分析，基于分析結果，關注危險工況，接著對模型材料分布進行研究，合理拓撲優化，最后采用試驗設計－響應面優化方法，對拓撲優化后的模型進行輕量化研究，提出一種合理的新型動車組排障器模型。

1 動車組排障器優化設計方法

1.1 拓撲優化

目前連續體拓撲優化方法主要有均勻化方法、變密度法、漸進結構優化法（Evolutionary Structural Optimization，ESO）[9]、水平集方法、可變形孔洞法（Moving Morphable Void，MMV）等。其中，變密度法以連續變量的密度函數形式顯式地表達單元相對密度與材料彈性模量之間的對應關系，尋求結構最佳的傳力路線，以實現優化設計區域內的材料分布，具有程序易實現、計算效率快、計算精度高的優勢[10]。

1.2 試驗設計－響應面優化

試驗設計－響應面優化[11]方法為兩種方法的組合，首先對代理模型進行試驗設計（design of experiments，DOE），計算響應靈敏度，篩選設計變量，接著基于篩選出的最終設計變量進行響應面擬合（fitting，FIT），最后對擬合出的響應面進行優化，達到輕量化目的。

1.3 排障器優化數學模型及流程

首先基于動車組排障器的有限元模型，研究排障器的材料分布，對其進行合理的拓撲優化，接著基于拓撲后模型，進行試驗設計以及靈敏度分析，擬合出響應面模型，再對響應面模型進行優化。組合優化數學模型為：

Find＝{1,2}

1＝{11,12, …,1i}T

2＝{21,22, …,2j}T

min1()＝T

min2()＝()1()

()＝2()

h()≤0,＝1, 2, …,

式中：1為拓撲優化設計變量（單元密度）；2為輕量化設計變量；1()為拓撲優化目標函數；為結構所受的外力向量；為結構位移向量；2()為輕量化目標函數；()為輕量化與拓撲優化的相關性函數表達式；()為整體最優目標；h()為約束函數；為拓撲優化設計變量數；為輕量化設計變量數；為約束函數個數。

為此，制定了排障器優化設計分析整體流程如圖1所示。

2 動車組排障器靜強度分析

2.1 動車組排障器模型

動車組排障器由前端排障板以及排障器主體板材兩部分組成。排障器主體部分由前端梁、彎梁以及內部梁組成，底板與橫梁采用螺栓連接，管梁以及后板梁與車頭連接。前端排障板材料為高強鋼，除排障板外排障器整體為鋁合金材質，如表1所示。

圖1 排障器組合優化流程

表1 排障器材料分布

對排障器進行有限元網格劃分，板材部分采用殼單元模擬，螺栓部分采用梁單元模擬。整體模型如圖2所示，節點總數55444，單元總數55235，有限元模型總重404.5 kg。

圖2 排障器有限元模型整體視圖

2.2 排障器有限元分析載荷工況

動車組排障器為車頭下懸掛設備，排障器管梁與車頭下板焊接，排障器后板與車頭通過螺栓連接固定，因此，在后板螺栓孔與管梁處施加約束。基于EN 15227-2020標準[12]，對排障器施加載荷，載荷縱向施加于排障板，模擬運行時速大于等于160 km/h，在排障板中心線上施加300 kN載荷，在排障板中心線橫向距離750 mm處施加250 kN載荷，兩個工況下載荷位置如圖3所示。

圖3 載荷施加范圍

2.3 排障器靜強度分析計算

排障器兩個工況下應力及變形結果如圖4所示，計算結果如表2所示。可以看出，在兩個靜強度載荷工況作用下，排障器各部件的von mises應力均小于它們的許用應力。工況2屬于惡劣（危險）工況，后續優化時要特別關注。

3 排障器底板拓撲優化

3.1 拓撲優化

底板作為排障器的重要支撐與連接部件，不能完全將其去掉，以免降低模型剛度，而底板又具有大量的材料冗余，所以，考慮對底板結構進行拓撲優化，提出一種新的排障器結構。

對底板進行拓撲優化時，以柔度最小為目標，在加權工況下應力、體積分數為響應，加權工況下應力最小以及體積分數小于等于0.3為約束，底板的單元密度作為設計變量，通過沿底板中心線施加對稱約束，進行拓撲優化。

圖4 靜強度分析結果

表2 工況1與工況2危險位置強度及安全系數

考慮鋁合金材料（EN-AW-6082-T6）的屈服強度，拓撲優化后可能會導致母材最大應力或焊縫處、孔邊的應力值超過材料的屈服強度，所以，進行拓撲優化時施加三個應力約束：

（1）底板的最大應力≤255 MPa；

（2）排障器中間支撐梁處焊縫最大應力≤125 MPa；

（3）后板螺栓孔邊最大應力≤255 MPa。

3.2 拓撲優化結果

如圖5所示，根據拓撲優化iso密度云圖，單元密度閾值取0.4，得到較好的拓撲優化方案。

將單元密度閾值0.4的優化后模型導入分析軟件，按照可以制造的尺寸對底板進行圓整。基于拓撲優化后的底板模型，再對排障器進行兩個工況下的有限元靜強度分析。

圖5 底板拓撲優化密度云圖

底板質量優化前為49 kg，優化后17.39 kg，質量減輕64.5%。拓撲優化后工況1鋁合金部分的最大應力為84 MPa，工況2鋁合金部分的最大應力為217 MPa，優化結果滿足許用應力要求。由工況1下的最大應力可知，工況1下各危險位置的安全系數均滿足要求。所以，進一步關注工況2下的結果，表3中列出工況2下各危險位置的優化前后應力對比，并繼續尋求排障器的輕量化設計。

表3 拓撲優化后工況2關鍵位置應力

4 排障器輕量化設計

4.1 試驗設計

基于拓撲優化后排障器模型，選取工況2這一危險工況進行分析及優化。選取排障器有限元模型所有部件作為設計變量，如表4所示，通過試驗設計，提取最大應力、最大變形及質量三種響應，分析不同板件對應響應的靈敏度，綜合三個響應，重點關注靈敏度較大的部件，選取其作為響應面擬合及輕量化的設計變量。

表4 設計變量及上下限

設計變量離散步長0.1 mm，提取最大應力、最大位移以及質量為響應，采用Hammersley試驗設計方法，進行100組樣本設計，試驗結果靈敏度如圖6所示。

根據靈敏度分析結果，排障器以輕量化為最終目標，所以主要考慮質量靈敏度結果，應力靈敏度以及位移靈敏度加以參考，最終確定變量1、2、4、5、7、16、17、18這8個變量為優化設計變量。

4.2 響應面擬合

基于上述試驗設計，再建立一試驗設計DOE2進行響應面擬合，將上述試驗設計作為擬合響應面精度測試。

采用上述試驗設計的設計變量以及響應，采用Modified Extensible Lattice Sequence方法進行試驗設計，選取50組因子。三個響應均采用最小二乘法進行擬合，擬合出的總響應面如圖7所示，擬合結果的R-Square值如表5所示。

確定系數值接近1，均大于0.8，擬合精度高。

表5 三個響應擬合精度值

圖6 靈敏度分析結果

圖7 三個響應總響應面散點圖

4.3 優化方法選擇

基于上述試驗設計以及擬合出的響應面模型，采用全局響應面法（GRSM，Global Response Surfacemethod）[13]，評估100組因子進行優化。以最小化質量以及最小化模型最大等效應力為目標，各部分應力均小于材料屈服極限為約束進行優化。

進行優化搜索后，得出最優組因子為第94組因子，優化后8組變量厚度變化如表6所示。

表6 優化前后設計變量厚度變化

優化后有限元模型總重336 kg，相比拓撲優化后模型的373 kg，減重10%，相比原模型的404.5 kg，減重17%。優化后工況1最大應力209 MPa，鋁合金部分最大應力87MPa。工況2最大應力410 MPa，鋁合金部分最大應力227 MPa，對應的四個危險位置（拓撲優化后取得）的安全系數分別為1.12、1.12、1.23與1.07。優化后排障器兩個工況均滿足強度要求。

5 結論

（1）提出一種綜合優化方法，在基于排障器有限元分析結果和模型材料分布的條件下，對排障器進行合理的拓撲優化，基于拓撲優化后的模型，再使用試驗設計－響應面優化方法對模型進行輕量化。

（2）對排障器各部件進行材料布局的分析，采用變密度法，對有材料冗余的底板進行合理的拓撲優化，得出新的排障器底板結構，更利于下一步的輕量化。

（3）基于危險工況2，采用試驗設計－響應面法，提取最大應力、最大位移以及質量三個響應，分析設計變量靈敏度并確定輕量化設計變量。再建立一試驗設計用于響應面擬合，采用GRSM方法對響應面進行優化。兩次優化使得模型材料分布合理，強度滿足材料屈服強度，模型質量減輕17%。為動車組排障器設計提供新的設計思路。

[1]《中長期鐵路網規劃》公布：高鐵“八縱八橫”確定[J]. 企業研究，2016（10）：6.

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Optimization Design of EMU Cowcatcher

LIU Xingyu，LI Ya’na

(College of Locomotive and Rolling Stock Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Strength analysis and lightweight design of the EMU cowcatcher is essential because, as the suspension equipment under the locomotive, it has a great influence on the running safety and operation environment of the train. Based on EN 15227-2020 standard, this paper analyzed the static strength of the cowcatcher of EMU and determined the dangerous working condition. A comprehensive optimization method was proposed, combing topology optimization combined with experimental design-response surface optimization, so as to optimize the redundant materials of the bottom plate of the cowcatcher. The response surface was fitted through experimental design, and GRSM method was used for secondary optimization. The mass of the cowcatcher was reduced by 17% and the strength safety factors of the plate metal and welding seams met the requirements. The design makes the material distribution more reasonable and the cowcatcher lighter.

cowcatcher；static strength analysis；topology optimization；sensitivity analysis；response surface optimization

U260.39

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.006

1006-0316 (2023) 01-0035-07

2022-05-05

劉星宇（1998－），男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要研究方向為載運工具現代設計方法，E-mail：674329934@qq.com；李婭娜（1977－），女，遼寧大連人，博士，教授，主要研究方向為車輛CAD/CAE及其關鍵技術、焊接殘余應力與變形。