新型钢轨打磨车车体局部结构优化分析.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 1 1 4-0 4新型钢轨打磨车车体局部结构优化分析刘启灵(宝鸡中车时代工程机械有限公司,陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 3)摘 要:根据新型钢轨打磨车车体结构设计要求,采用简支梁理论和有限元方法,从减小车体质量、提高车体结构刚度和强度的角度出发,对车体底架边梁进行了优化设计。通过对车体底架工字型边梁的可变参数优化分析可知,优化后的边梁质量减小了8%,垂向静载荷下的车体挠度减小了5%,各载荷工况下的车体结构应力略有增大,最高增大了3.5%,但仍满足强度要求。关键词:新型钢轨打磨车;车体;局部结构;有限元;刚度;强度;优化设计中图分类号:U 2 7 0.3 2 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 2 1收稿日期:2 0 2 1-0 6-2 5;修回日期:2 0 2 3-0 3-1 6第一作者:刘启灵(1 9 8 8),男,高级工程师。L o c a l S t r u c t u r e O p t i m i z a t i o n A n a l y s i s o f N e w R a i l G r i n d i n g C a r b o d yL I U Q i l i n g(B a o j i C R R C T i m e s E n g i n e e r i n g M a c h i n e r y C o.,L t d.,B a o j i 7 2 1 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n d e s i g n r e q u i r e m e n t s o f c a r b o d y s t r u c t u r e s o f n e w t y p e r a i l g r i n d i n g v e h i c l e s,t h e o r y o f s i m p l e s u p p o r t e d b e a m a n d f i n i t e e l e m e n t m e t h o d a r e a d o p t e d t o o p t i m i z e t h e d e s i g n f o r s i d e s i l l s a t u n d e r f r a m e s o f c a r b o d y i n t e r m o f r e d u c e d c a r b o d y w e i g h t,i m p r o v e d r i g i d i t y a n d s t r e n g t h o f c a r b o d y s t r u c t u r e s.A n a l y s i s o f o p t i m i z e d v a r i a b l e p a r a m e t e r s f o r t h e I-s h a p e d s i d e s i l l s a t u n d e r f r a m e s o f c a r b o d y h a s b e e n p e r f o r m e d t o i n d i c a t e t h e w e i g h t o f s i d e s i l l s a f t e r o p t i m i z a t i o n i s r e d u c e d b y 8%,c a r b o d y d e f l e c t i o n u n d e r v e r t i c a l s t a t i c l o a d s i s r e d u c e d b y 5%,a n d s t r u c t u r a l s t r e s s o n c a r b o d y u n d e r v a r i o u s l o a d s i s s l i g h t l y i n c r e a s e d,m a x i m u m b y 3.5%.H o w e v e r,s t r e n g t h r e q u i r e m e n t c a n s t i l l b e s a t i s f i e d.K e y w o r d s:n e w t y p e r a i l g r i n d i n g v e h i c l e;c a r b o d y;l o c a l s t r u c t u r e;f i n i t e e l e m e n t;r i g i d i t y;s t r e n g t h;o p t i m i z e d d e s i g n “十四五”规划明确提出,要加强以城际铁路和市域(郊)铁路为骨干的轨道交通建设,推动市内市外交通有效衔接和轨道交通“四网融合”,城市轨道交通的发展将迎来高峰。轨道设备作为轨道交通的基础设施,其性能与寿命都会影响轨道交通的发展,而钢轨打磨是轨道线路修理工作的核心内容之一,也是预防和治理钢轨病害的有效手段。随着我国钢轨打磨技术的不断发展和革新,新型钢轨打磨车设有更多数量的磨头,打磨控制及安全冗余功能逐步升级,打磨装置实现了多功能化、模块化设计,并增加了道岔打磨功能。在提高打磨效率和丰富打磨功能的同时,新型钢轨打磨车自身承载结构的轻量化也是至关重要的。钢轨打磨车属于铁路工程车辆,既要满足大载重、高速度的走行要求,又要满足复杂、高效的作业要求,这给钢轨打磨车自身承载结构轻量化设计带来较大的挑战。1 钢轨打磨车车体结构特点钢轨打磨车采用框架式承载结构,车体主要由底架、司机室、侧墙、顶盖、地板和蒙皮等构成。底架是主要的承载结构,侧梁在长度方向上呈“几”字形,以实现车架中部高度提升,便于打磨小车的升降,同时满足司机室的低地板设计。车体底架采用Q 3 5 5 GNH耐候钢板,枕梁、牵引梁为箱型结构,钢板厚度为1 0 mm;侧梁为上下盖板与腹板拼焊成的工字钢结构,中间段高度为4 0 0 mm,两端高度为3 6 0 mm;横梁为工字型和箱形结构,板厚为1 0 mm;中间梁为厚8 mm的C型折弯钢板。车体底架结构如图1所示。411 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 B.上下盖板长度;h.边梁厚度;t1.上盖板厚度;t3.腹板厚度;t2.下盖板厚度;L1、L2、L3.边梁的几何尺寸长度。图3 边梁结构设计变量图1 车体底架结构2 车体有限元建模和初步分析根据车体底架的结构特点,在有限元建模中,采用4节点3-D壳单元S h e l l 1 8 1对车架主结构进行离散,抬车垫板、橡胶弹簧安装座、冲击座、前从板座和后从板座采用8节点3-D实体单元S o l i d 1 8 5进行离散,整个车体共离散为6 8 4 5 1 1个节点,形成3-D壳单元6 7 6 3 5 8个和3-D实体单元8 9 9 6个。在车体枕梁下方的弹簧座处分别设置纵向、横向和垂向的弹簧单元C o m b i n a-t i o n 1 4模拟车辆的二系悬挂装置。在车内设备、车顶设备和车下设备等质心处设置质量单元M a s s 2 1模拟车体各惯性设备的影响,并用3-D梁单元B e a m 1 8 8将其与主结构进行连接。此外,从板座与牵引梁腹板之间的铆接状态通过MP C点接触算法进行模拟。车 体 结 构 的 刚 度 和 强 度 主 要 参 考T B/T 3 5 5 0.22 0 1 9 机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体 第2部分:货车车体1中的相关规定。车体垂向弯曲刚度可通过对相应部件的挠跨比进行考核,按照要求,车体在垂向静载荷工况下,整体承载车体边梁的挠跨比不得大于1/2 0 0 0。根据第四强度理论,车体结构在各载荷作用下,车体结构上任意一点V o n M i s e s应力均不得超过材料许用应力限值。经初步计算发现,在各载荷工况中,车体各节点应力均小于材料许用应力(3 0 0 MP a),强度满足要求,其中车体结构的最大应力为2 5 8.5 7 MP a,发生在拉伸工况下的车体底架中间纵梁边坡位置;而在垂向静载荷工况下,车体底架边梁中部最大挠度为5.1 9 7 mm,挠跨比为1/2 3 0 9,小于1/2 0 0 0,刚度满足要求。但考虑到结构轻量化的设计要求,还需要进一步减小车体质量,提高车体结构刚度与强度。3 车体局部结构优化车体结构优化设计方法基于数学规划法,将物理模型转换成数学问题进行优化,通过多次迭代求解最优值,具有稳健的高效性,可以将质量、体积、位移、应变、应力以及自定义函数等作为约束条件或者优化目标2-6。目前众多大型商业C A E软件如O p t i S t r u c t、AN S Y S、N a s t r a n等,都 可 以 提 供 结 构 优 化 功 能。本 文 采 用AN S Y S软件对车架局部结构进行优化分析,其优化流程如图2所示。图2 车架局部结构优化流程图3.1 结构优化设计数学模型优化设计方法是通过建立优化模型,在满足设计变量和约束变量要求的条件下进行迭代计算,求得目标函数的最优值。其中目标函数是设计者进行优化设计的最终目的,也是评价设计方案的标准;设计变量是优化过程中的可变参数,通过合理设置参数变量使目标函数趋向最优解;约束条件是优化设计的边界,将设计变量约束在特定范围内。优化设计的数学模型可表达为:m i n:f(X)=f(x1,x2,xn)(1)式中:X为设计变量,代表设计结构尺寸的厚度、长度等;x为设计结构尺寸的厚度、长度等。考虑到钢轨打磨车车体承载的特殊性,可优化的结构部件不多且可优化的空间极小,以优化车架边梁结构为例,边梁采用工字型截面梁,边梁形状是“几”字形,如图3所示。511 新型钢轨打磨车车体局部结构优化分析 刘启灵本文采用参数化设计方法,根据车体结构分析情况,改变车体结构单元属性,如边梁的截面尺寸、边梁纵向长度布置等来达到降低车体结构质量、提高车体结构刚度和结构强度等设计要求。车体弯曲刚度是指车体在外界载荷作用下抵抗变形的能力,其大小主要取决于车体的几何尺寸和材料特性。若把车架简化为一根简支梁,如图4所示,其在垂向载荷作用下由弯曲引起的中部挠度可表示为:=F d213 8 4E I(5d21-2 4d22)(2)式中:为车体简化梁在垂向载荷作用下的中部挠度值,F为车体承受的垂向载荷,E I为车体简化梁的弯曲刚度,d1为车体简化梁前后二系悬挂约束点之间的距离,d2为车体简化梁二系悬挂约束点与其端部之间的距离。图4 车体简化梁受力分析图一方面,若不改变车体的材料属性,为了提高车体弯曲刚度E I,可从改变边梁惯性矩I着手,即选择合理的边梁截面形状,使I值尽量大;另一方面,为了降低车体质量,可减小边梁截面面积A,使A尽量小。因此,构建一个单位面积惯性矩系数I/A作为评价车体轻量化弯曲刚度设计的技术指标,可表示为:I/A=B h3-(B-t3)(h-t1-t2)31 2B(t1+t2)+(h-t1-t2)t3(3)根据式(3)绘制出边梁工字钢截面各参数变量与单位面积惯性矩系数的关系,如图5所示。初始参数线性变化在5 0%范围内,随着上下盖板间高度h的增加,单位面积惯性矩系数I/A急剧上升;随着上下盖板厚度t1、t2和盖板宽度B的增加,单位面积惯性矩系数I/A平缓上升;随着腹板厚度t3的增加,单位面积惯性矩系数I/A平缓下降。因此,为了满足提高车体弯曲刚度、降低车体质量的要求,应优先增大上下盖板间的高度,适当减小腹板厚度,增大盖板厚度和宽度。以上是基于车体简化边梁理论进行的优化分析,对于真实结构还需要考虑更复杂的约束条件,因此,根据该钢轨打磨车的具体结构和功能特点,构建了车体边梁结构优化的数学模型,其相关设计变量、目标函数和约束条件如式(4)所示,其中,M(Xi)表示车架边梁各结构部位质量,m a x为拉伸载荷工况下的车体最大结构应力,m a x为垂向静载荷工况下的车体最大挠度。图5 单位面积惯性矩系数与边梁工字钢截面各参数变量的关系M Xi m i nm a x3 0 0m a x68t11 6,且t1为整数8t21 6,且t2为整数8t31 6,且t3为整数3 5 0h4 5 0,且h为整数3 3 0 0L13 7 0 07 0 0L29 0 03 8 0 0L34 5 0 0L1+L2+L3=8 5 9 6 (4)3.2 优化计算结果完成设计变量、约束条件及目标函数的设置后,通过AN S Y S软件拓扑优化模块自动进行求解。经过一系列的迭代计算,目标函数区域收敛,最优方案如表1所示。经对比分析可知,优化前后车架边梁的质量分别为2 1 1 1.0 1 k g、1 9 4 2.7 9 k g,优化后边梁质量降低了8%。为了检验优化方案的合理性,在多工况下对优化后车架边梁结构设计参数进行对比分析。其中,在静载荷工 况 下,车 架 边 梁 的 最 大 垂 向 变 形 量 为4.9 4 mm,挠跨比为1/2 4 2 9,小于1/2 0 0 0,刚度满足要求,且较优化前的刚度提高了5%。由车体静强度分析结611铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 果可知,在拉伸工况、压缩工况以及抬车工况下车架应力值较大,优化后的车体最大结构应力较优化前分别增大了1.5%、1.7%和3.5%,如表2所示。优化后方案提高了车架材料的利用率,同时满足静强度要求。表1 设计变量优化结果mm设计变量初始值尺寸范围优化值t11 081 61 2t21 681 61 2t31 281 61 0h3 6 03 5 04 5 04 0 0L13 6 0 53 3 0 03 7 0 03 5 0 8L26 5 07 0 09 0 07 3 4L34 3 4 13 8 0 04 5 0 04 3 5 4表2 车体底架最大结构应力对比MP a工况载荷组合情况优化前优化后1拉伸工况(垂向静载荷+拉伸载荷)2 3 0.1 1 72 3 3.7 8 22压缩工况(垂向静载荷+压缩载荷)2 1 9.7 4 32 2 3.3 8 23抬车工况2 1 3.1 0 22 2 0.6 1 04 结论在对车架结构局部改进的基础上,利用AN S Y S软件对车体结构进行尺寸优化设计。首先,优化后的车架边梁结构减重明显,质量降低了8%,垂向静载荷下的车体挠度减小了5%;其次,通过对优化后的车体结构进行多工况校核可知,优化后的车体结构应力变化不大,材料利用率略有提高,但亦满足相关要求,优化方案是合理的。但需要指出的是,由于钢轨打磨车车上及车下安装设备数量非常多,车体自身结构的可改变性非常有限,在优化过程中仅针对边梁结构进行局部优化,对整车轻量化的贡献还是相当有限,更加全方位的结构轻量化需要考虑更多的结构特征参数。参考文献:1 机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体 第2部分:货车车体:T B/T 3 5 5 0.22 0 1 9S.2 谢航飞.基于有限元的工程作业车车体优化设计D.兰州:兰州交通大学,2 0 2 0.3 詹斌,李芹,陶砾莹.基于刚度的某客车骨架灵敏度分析与结构优化J.客车技术与研究,2 0 1 5,3 7(5):1 6-1 8.Z HAN B i n,L I Q i n,TAO L i y i n g.S e n s i t i v i t y a n a l y s i s a n d s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n o f a b u s b o d y f r a m e b a s e d o n s t i f f-n e s sJ.B u s&C o a c h T e c h n o l o g y a n d R e s e a r c h,2 0 1 5,3 7(5):1 6-1 8.4 史艳民.高速列车车体结构分析及优化方法研究D.成都:西南交通大学,2 0 1 7.5 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