動車組內端門吊裝結構強度計算及優化設計

李俊澎

摘要：高速列車內端門的強度是車輛設計的重要內容，直接關系到車輛的安全運行。本文利用Hypermesh軟件對動車組內端門吊裝結構進行有限元建模，然后利用ANSYS軟件對動車組內端門吊裝結構在4種工況下通過有限元分析進行了靜強度仿真計算，計算結果顯示各工況的最大應力值均超出其材料的許用應力。因此對原模型進行方案修改，計算結果顯示各個部件最大應力均未超過其對應材料的屈服強度，且安全系數均大于1。從而得出內端門各零部件滿足設計要求，進而得出該內端門吊裝結構的強度符合使用要求。并利用HyperStudy軟件對內端門結構進行尺寸優化，計算結果表明，優化后的動車組一位端內端門吊裝結構不僅使變形變小而且兼顧了輕量化，取得了較好的優化效果，為工程設計人員的結構設計及改進工作提供了有益的經驗。

關鍵詞：內端門；吊裝結構；有限元分析；尺寸優化

中圖分類號：U266 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.06.007

文章編號：1006-0316 （2023） 06-0048-07

Strength Calculation and Optimization Design of Hoisting Structure of

Inner EndDoor of EMU

LI Junpeng

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

Abstract：The strength of the inner end door of high-speed train is an important part of vehicle design，which is directly related to the safe operation of the vehicle.In this paper， the finite element modeling of the lifting structure of the end door in the EMU is carried out by using Hypermesh software， and then the static strength simulation calculation of the lifting structure of the end door in the EMU is carried out by using ANSYS software under four working conditions. The calculation results show that the maximum stress value of each working condition is beyond the allowable stress of the material. Therefore， the original model was modified， and the calculation results showed that the maximum stress of each component did not exceed the yield strength of the corresponding material， and the safety factor was greater than 1. Thus， it can be concluded that the components of the inner end door meet the design requirements， and then it can be concluded that the strength of the lifting structure of the inner end door meets the use requirements. The size of the inner end door structure is optimized by using HyperStudy software. The calculation results show that the optimized structure of the inner end door of the EMU not only reduces the deformation， but also gives consideration to the lightweight， and obtains a good optimization effect， which provides useful experience for the structural design and improvement of the engineering designers.

Key words：inner door；hoisting structure；finite element analysis；size optimization

鐵路交通是國家的重大基礎設施，代表了工業現代化的根基。高速動車組因具有時速快、安全性高、平穩性好等諸多優勢，成為了世界各國鐵路交通領域的發展重點之一[1]，因此動車組越來越受到各個交通運輸大國的重視。我國長期以來致力于加快鐵路交通建設工作，大力推動鐵路交通高質量、高效率地發展，經過幾次大范圍提速，高速動車組的速度現已達到到350 km/h，并向400 km/h邁進。高速動車組速度如此之高，因此不能再用以前普通火車的仿真分析方法來對動車組相關模塊評估，需要建立一種更為完善的技術分析手段。內端門是高速動車組的重要部件之一，它可以將各車廂連接起來并保持各部分空間相對獨立，同時還可以保護旅客的人身安全[2]。隨著動車組性能指標不斷提高，對于內端門實用性與可靠性的要求更是不斷提升[3]。

目前，高速鐵路列車的車門種類根據用途不同分為多種類型。側門與內外端門通常采用電控與手動結合的塞拉門方式。動車組內端門一般采用單翼內藏式塞拉門，不同的車門類型適用于不同尺寸和不同速度等級的動車組[4]。奧地利的IFE公司設計出了不同類型的內外端門門控裝置，廣泛運用在高速列車領域[5]。來自德國的克諾爾集團（Knorr-Bremse）與來自法國的法維萊公司（FAIVELEY）開始拓展在安全門領域的相關項目，其產品頗受好評，被世界多國列車采用，如龐巴迪和阿爾斯通等公司的動車組內端門系統就由這兩家公司進行設計[6-7]。

目前，針對內端門的研究主要有靜強度分析、聯接螺栓強度分析、自動控制領域的分析。當前我國針對自動控制領域的研究剛剛起步，我國主要的內端門控制設備制造商為南京的康尼公司，該公司正在研發基于數字信號處理器技術的電子門控器（Electric Dynamic Control Unit），可以有效擺脫國外產品的依賴[8]。在此基礎上，為了提升我國動車組制造及研究實力，同時還需要結合國情和鐵路運輸實際情況等對動車組的結構進行合理性改造，進行完全符合強度及環境要求且符合新型動車組輕量化需求的改進并使之實現國產量化[9-10]。

本文基于動車組內端門相關結構前期研究的基礎，使用Hypermesh軟件建立動車組一位端內端門吊裝結構的有限元模型、網格劃分、定義材料屬性、加載荷工況；使用ANSYS軟件在不同加速度的工況進行靜強度有限元分析，根據計算結果對應力較大的危險位置進行評價；在此基礎上為了滿足其靜強度要求提出針對動車組內端門結構的改進方案；使用HyperStudy軟件對內端門結構進行靈敏度分析以及尺寸優化，最終使其達到輕量化的目的。

1 吊裝結構有限元模型建立

本文采用的動車組一位端內端門吊裝結構主要由連接件、吊梁、滑道、門、門機構及聯接螺栓組成，連接件1由2個M10螺栓與車頂型材連接、2個M8螺栓與吊梁連接，連接件2由4個M10螺栓與車頂型材相連，由4個M8螺栓與吊梁連接。吊梁與滑道由2個M8螺栓和3個M8螺釘連接。內端門吊裝結構的材料性能參數如表1所示。

內端門吊裝結構靜強度分析的有限元模型主要由四節點四邊形殼單元和八節點六面體實體單元組成，有限元模型的單元總數為525 969；節點總數為531 854，有限元整體及局部模型如圖1所示。

2 內端門吊裝結構靜強度分析

按照EN 12663標準對動車組一位端內端門結構進行靜強度分析，施加縱向、橫向、垂向加速度工況，選取其中四個主要工況，具體數值如表2所示。

利用ANSYS進行靜強度分析，得到四個工況的最大位移均發生在內端門吊裝結構的門扇右端中部，位移值為別為10.749、10.712、10.766、10.696 mm；四個工況的最大VonMises應力值分別為562.48、559.81、580.45、541.80 MPa，均發生在內端門吊裝結構的連接件1與車頂型材連接處。

由此可知各工況的最大應力值均超出其材料的許用應力。這主要是螺栓單元的簡化以及各工況下較大的縱向加速度造成的，需通過一些優化措施改進所得結果，使其強度滿足使用要求。

3 方案修改

根據內端門吊裝結構的初步強度計算結果及后續分析得到的結論，提出了以下兩種改進方案：

（1）四個工況下的最大應力均發生在連接件1與車頂型材連接處，如圖2所示，由于件1、2、3均與車頂型材連接，連接部分對內端門吊裝結構整體應力影響較大，因此決定將連接表面厚度適當增加以使應力降低。由于連接件1、2的結構和材料完全相同，所以具體措施為將連接件1、2的厚度由5 mm提升至7 mm，將連接件3的厚度由5 mm提升7.5 mm。

（2）由于殼單元和實體單元的連接問題，即殼單元有六個自由度，實體單元有三個自由度，相交區域的剛度會很小，所以考慮滑輪結構與門框的連接作用，修改前滑輪與門框的連接是殼單元與實體單元連接。修改后將實體單元刪除并在滑輪結構處添加位移耦合即用剛性單元將滑輪與門框連接，能更直接地表現出各面連接關系，如圖3所示。重新計算后仿真結果如表3和表4所示。

通過結構板厚修改及連接位置有限元模型連接關系的定義，重新進行計算得到的內端門吊裝結構強度分析結果如下：四個工況的最大位移分別為9.453、9.444、9.446、9.451 mm，均發生在內端門吊裝結構的門扇右端中部；四個工況最大應力分別為298.207、298.396、309.630、286.974 MPa，均發生在內端門吊裝結構的連接件1與車頂型材連接處。將改進后所得結果與吊裝結構各部件材料的屈服強度比較，結果如表5所示。

由表5可以看出，各個部件最大應力均未超過其對應材料的屈服強度，且安全系數均大于1。通過方案修改后的數值結果可以得出如下結論：

（1）通過添加位移耦合，更加準確地模擬了內端門吊裝結構承載時的連接關系，大大降低了內端門承載時的最大位移，保證了運行的安全性。

（2）通過結構尺寸厚度的增加，有效地降低了應力最大值，使其更加滿足實用要求，同時延長了連接部件的使用壽命。最終得出該內端門吊裝結構的強度符合使用要求。

4 尺寸優化

對內端門吊裝結構進行尺寸優化，目的是在結構輕量化基礎上，進一步改善結構性能。優化流程如圖4所示。

圖4 優化流程圖

首先對該內端門吊裝結構進行靈敏度分析，主要考察三個連接件以及吊梁和雙滑道的厚度對整體最大位移、最大應力和內端門吊裝結構質量的影響。

利用HyperStudy中的部分因子法（Fractional Factorial）進行優化：

（1）首先采用四階分辨率（IV）進行試驗設計；然后采用哈默斯利（Hammersley）方法進行試驗設計。經分析顯示雙滑道的厚度對整體最大位移和應力影響程度基本為0，可忽略不計，故在后續優化中可不將雙滑道厚度作為設

計變量；與此同時，吊梁和三個連接件的厚度與最大位移和最大應力以及內端門整體結構質量的關系均呈正比，說明想要減小內端門的最大位移和最大應力以及內端門整體結構質量，只能通過減小吊梁和三個連接件的厚度來實現。

（2）進行響應面擬合，經系統快速識別擬合方法為移動最小二乘法（Moving Least Squares Method）。將部分因子法作為測試實驗，哈默斯利方法作為輸入實驗，然后進行實驗診斷，結果顯示后者的試驗點與響應面擬合度為99.99%且誤差接近于0，而前者的試驗點落在后者的概率為99.97%，證明擬合較為準確。

（3）建立優化數學模型，本次尺寸優化的設計變量為三個連接件的厚度以及吊梁的厚度。約束條件是設計變量的上下限和內端門結構整體最大位移小于10.4 mm以及整體最大應力小于345 MPa，優化數學模型的表達式為：

（1）

（2）

式中：X為設計變量矢量，X∈Ω，Ω為設計空間；Umax為內端門吊裝結構整體最大位移；δmax為整體最大應力；Li為第i個設計變量的厚度；Lmax和Lmin分別為設計變量厚度的上下限。

設計變量的上下限如表6所示。

優化時采用全局響應面法（Global Response Surface Method，GRSM）進行迭代計算，此方法的特點是每次迭代期間，基于響應面的優化都會生成一些全局搜索的設計點；響應面使用新生成的設計點進行自適應的更新，以獲得更好的模型擬合；支持離散優化，在一次迭代中生成的設計可并行求解。本模型經綜合考慮，運用全局響應面法來進行優化分析。優化前后設計變量厚度對比如表7所示，優化前后位移應力對比如表8所示。

由表7和表8可知，在連接件1、2、3以及吊梁的厚度減小的情況下，內端門吊裝結構的最大位移分別有不同程度的增大，并且應力也有明顯的增大。各工況位移增大分別為9.6%、9.6%、9.5%和9.6%，各工況應力增大分別為10.1%、10.0%、10.0%和10.3%。而質量從原來的334.1 kg減小到現在的305.57 kg，下降了8.54%；并且將優化后的模型重新進行計算，得出的結果與全局響應面法優化的結果基本一致，由此可知，優化效果良好。而對比最初方案修改前和優化后的模型，各工況位移減小分別為3.6%、3.4%、3.9%、3.1%，各工況應力減小分別為41.6%、41.4%、41.3%和41.6%。綜上所述，整體優化效果良好。

5 結論

（1）首先通過HyperMesh軟件對動車組一位端內端門吊裝結構進行有限元建模后，用ANSYS軟件對4個工況下的內端門吊裝結構進行靜強度分析，得知內端門的最大Von.Mises應力均超過其材料的屈服強度。

（2）對內端門吊裝結構進行結構改進，連接件1、2的厚度從原來的5 mm提升至7 mm，連接件3的厚度從原來的5 mm提升至7.5 mm，添加部分連接面的位移耦合，再次進行靜強度分析，結果顯示內端門吊裝結構各個部件的最大Von Mises應力均未超過其材料的屈服強度，并且安全系數均大于1，表明內端門吊裝結構的靜強度符合要求。

（3）利用Hyperstudy軟件對內端門吊裝結構進行靈敏度分析，采用部分因子法和哈默斯利方法進行試驗，可知雙滑道的厚度對整體的位移和應力以及整體結構質量影響不大，可忽略不計，只考慮三個連接件和吊梁的厚度對響應的影響。然后運用移動最小二乘法擬合出的響應面，將前者作為測試實驗，后者作為輸入實驗，進行診斷，結果顯示擬合較為準確，從而進行優化。

（4）采用全局響應面法對內端門吊裝結構進行尺寸優化，得到的最優解為連接件1的厚度為6.057 mm、連接件2的厚度為5.612 mm、連接件3的厚度為6.408 mm、吊梁的厚度為6.401 mm。優化后的內端門吊裝結構不但在承載時使變形減小，而且在滿足強度要求的情況下，還兼顧了輕量化，取得了較好的優化效果。為今后內端門吊裝結構以及類似結構的優化設計提供了一種可借鑒的設計思路。

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