高速动车组制动模块可靠性分析与优化.pdf

:./.高速动车组制动模块可靠性分析与优化唐 枫(兰州交通大学 机电工程学院甘肃 兰州)摘 要:为了计算出动车组制动模块在各个工况运行下的薄弱环节并改善其结构性能该文运用三维设计软件 构建出制动模块的三维模型再通过有限元分析软件 对模型进行模态分析和静强度分析将应力最大的部位视为薄弱环节并将该部位作为后续优化设计的关键部位 首先建立制动模块有限元模型对其进行自由模态分析与约束模态分析初步确定出薄弱环节 再对其进行静强度分析确定出最大应力对应的具体位置再次确定出薄弱环节并将两者进行对比分析 最后建立初始的 网络模型引入四种权重系数并利用 探寻其最优组合方式进而提升初始 网络模型的预测精度开展动车组制动模块多目标可靠性优化设计为制动模块结构改进与优化提供了理论依据关键词:制动模块模态分析静强度分析可靠性 神经网络中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引 言近年来我国在高速动车组列车的研发与线路规划方面取得了巨大进展突破了许多技术屏障取得了前所未有的成功使我国成为全世界高速动车组领域的一流强国 随着我国高速动车组列车的飞速发展人们出行更加便捷出行效率得到了极大的提升在追求速度与便捷的同时乘客的人身安全是否得到充足的保障是不可忽视的关键问题 因此需要对高速动车组列车运行过程中各个环节的运行安全性进行分析与计算 而位于车体下侧的制动模块又是整车的重要部件之一 在动车组列车高速运行过程中各种工况下的制动模块都承受着来自各个方向的冲击裂纹扩展、强度失效和疲劳破坏等情况时有发生因此确定出制动模块在实际工作过程中的薄弱环节显得尤为重要目前针对动车组制动模块的分析主要以静强度分析、疲劳强度分析和动力学分析为主 孟凯借助有限元分析软件 对制动模块各种工况下的静强度和疲劳强度进行了分析以分析结果为基础使用 软件对应力较大部位进行了相应的计算与优化 李成涛将螺栓预紧力加入到了分析过程中对动车组制动模块进行了静强度非线性有限元分析为制动模块的结构优化设计提供了理论依据王大生以制动模块风缸卡带为研究对象进行了力学分析与计算并对分析结果进行了强度校核提高了制动模块的运行安全性 然而上述学者对制动模块的薄弱环节没有全面的判定且忽略了结构可靠性对性能的影响 鉴于此笔者以第四强度理论为基车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:唐 枫()男河南许昌人硕士研究方向:动车组结构可靠性础对制动模块进行静强度分析并结合自由模态和约束模态振型特征确定出薄弱环节再利用基于 加权网络的多目标优化设计模型进行多目标可靠性优化设计为制动模块的结构可靠性分析与优化提供理论依据 制动模块模态分析有限元模态分析方法主要有两种分别为分块的兰索斯法和子空间迭代法 子空间迭代法对网格质量要求较高且花费时间较长因此计算精度比较高分块的兰索斯法在保证计算精度较高的同时花费时间也较短 因此本文采用分块的兰索斯法对制动模块的有限元模型进行自由模态和约束模态的求解.制动模块有限元模型建立文中采用的制动模块主要由支撑架、风缸、风缸吊架、压力容器及水箱组成 该制动模块的材料主要为 其材料属性如表 所列 将制动模块模型在 软件中进行网格划分采用网格控制 、自动 、最终划分为 个单元 个节点如图 所示表 制动模块材料属性参 数数 值弹性模量/泊松比.密度/(/)屈服强度/图 制动模块网格划分模型.制动模块自由模态分析自由模态是系统在不施加外界约束的状态下所发生的自由振动的特性 通过自由模态分析可以得出固有频率和固有振型 根据多自由度系统模态分析理论可知在不施加外界约束的状态下系统的前 阶模态分析结果表现为刚体模态即固有频率 为 取制动模块前 阶自由模态进行计算得到固有频率和相对应的模态振型 第 阶自由模态振型图如图 所示由图 可知制动模块第 阶自由模态频率为.第 阶自由模态频率为.第 阶自由模态频率为.第 阶自由模态频率为.图 第 阶自由模态振型图 图 第 阶自由模态振型图图 第 阶自由模态振型图 图 第 阶自由模态振型图.制动模块约束模态分析约束模态能够更加全面且准确地反应制动模块在受到外界激励的情况下的动态特性 根据制动模块在实际工作过程中受到的约束方式对制动模块有限元模型添加约束进行约束模态分析 取制动模块前 阶约束模态进行计算可以得出制动模块振动频率和模态振型 取第 阶的约束模态振型图与自由模态振型图进行对比分析 第 阶约束模态振型图如图 所示图 第 阶约束模态振型图 图 第 阶约束模态振型图图 第 阶约束模态振型图 图 第 阶约束模态振型图 由图 可知制动模块第 阶约束模态频率为.第 阶约束模态频率为.第 阶约束模态频率为.第 阶约束模态频率机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究为.根据制动模块自由模态振型图和约束模态振型图对比分析可以得出制动模块的薄弱环节为支撑架中间横向梁和支撑架外侧纵向梁 制动模块静强度分析按照 标准对动车组制动模块分别建立横向、纵向和垂向的加速度工况 施加工况的具体数值如表 所列表 静强度工况载荷施加组合/工 况横 向纵 向垂 向.利用 软件对动车组制动模块进行静强度分析 得到制动模块从第 工况的应力云图如图 所示图 工况 应力云图 图 工况 应力云图图 工况 应力云图 根据 静强度分析结果可知三个工况的最大应力分别为.、.和.均小于 表明该制动模块强度符合使用要求 在三种工况下该制动模块的薄弱环节为支撑架中间横向梁、支撑架外侧纵向梁和支撑架内侧纵向梁 基于 加权网络的制动模块多目标可靠性优化设计将高速动车组制动模块作为研究对象基于所得到的样本数据建立起用来描述制动模块 种响应的初始 网络向所建立的初始 网络中引入四种加权系数然后利用 神经网络对参数进行范围搜寻最终获得一组最优参数组合形式大大提升了模型预测精度 然后以可靠性理论和多目标优化设计理论为基础对制动模块进行可靠性分析和可靠性优化设计为了直观体现 加权网络模型相对于初始 网络模型性能的优越性选取支撑架中间横向梁、支撑架外侧纵向梁 和支撑架内侧纵向梁 以最大应力响应为例基于相同试验样本数据分别利用两种模型进行预测得到如图 所示的结果图 两种网络预测性能对比 由图 所知初始 网络预测误差绝对值均处于 内 加权网络预测误差绝对值均处于 内体现了改进模型的有效性利用蒙特卡洛法分别抽取 组样本数据进行可靠性分析并基于应力 加权模型和位移 加权模型分别对结构应力和位移进行预测得出构架应力响应失效概率为.位移响应失效概率为.将这两种指标的失效概率作为目标函数进行多目标可靠性优化设计 并将优化前后各变量取值进行对比对比结果如表 所列表 设计变量优化结果对比设计变量优化前/优化后/变化量/.由表 可知设计变量 变化幅度最大为.设计变量 变化幅度最小为.将表 所示结果进行计算并与优化前进行对比对比结果如表 所列(下转第 页)车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用 通过网线将 上位机与 机器人真实的控制器连接将智能制造单元仿真平台设置的工具数据、工件数据等程序数据、仿真程序等内容传送到 机器人示教器实现在线对 机器人进行监控、编程、管理验证了仿真设计方案的合理性智能制造单元实验平台如图 所示图 智能制造单元实验平台 结 语文章基于 机器人仿真软件 提出了智能制造单元平台的仿真设计方案 利用三维建模创建智能制造各个单元的 模型并根据产品工艺流程构建了平台的布局包括设置 组件、仿真信号、碰撞监控、离线编程来设计仿真平台并进行仿真调试 通过 软件与 软件的联合仿真并在智能制造单元实验平台进行验证实现了仿真与实物相同的效果 设计方案可以为智能制造生产线的设计提供理论参考同时也为职业院校智能制造相关课程教学提供了方法和思路参考文献:.():.张晓芳程瑞龙张子瑜.多机器人虚实一体化协作工作站设计与实现.现代制造工程():.庞党锋崔世钢刘 旭.基于 的机器人上下料工作站仿真设计.组合机床与自动化加工技术():.郝瑞林周利杰蔡国庆等.基于机器视觉与 的饼干包装生产线仿真.包装与食品机械():.赵伟博李琳杰齐锴亮.基于 的机器人上下料工作站设计与仿真.计算技术与自动化():.耿永秀项余建曹 伟等.基于 机器人视觉位姿引导虚拟仿真.锻压装备与制造技术():.何剑敏羊荣金沈孟锋.基于 的智能制造单元实验平台仿真设计.实验技术与管理():.高 攀邹 胤汤 超等.虚实结合的工业机器人实训教学平台和方法.机电工程技术():.(上接第 页)表 优化结果对比对比项目优化前变化量/应力/.位移/.应力可靠度.位移可靠度.由表 可知应力响应降低了.位移响应降低了.表明制动模块多目标优化设计结果的有效性 同时应力可靠度和位移可靠度分别提升了.和.提高了制动模块的综合性能 结 语使用三维建模软件 对动车组制动模块进行模型建立并使用有限元分析软件 对该制动模块进行模态分析与静强度分析 根据分析结果可知该动车组制动模块满足设计要求 其中制动模块中支撑架中间横向梁、支撑架外侧纵向梁和支撑架内侧纵向梁应力较大且对应力输出响应的灵敏度较高 因此将上述三种梁板厚作为动车组制动模块的设计变量以应力响应和和位移响应作为目标函数进行可靠性优化设计 优化结果表明应力响应和位移响应分别降低了.和.同时应力可靠度和位移可靠度分别提高了.和.参考文献:孟 凯.某动车组制动模块吊装有限元分析及优化.大连:大连交通大学.李成涛.动车组车下制动模块框架静强度及联接螺栓非线性有限元分析.科技与企业():.王大生.地铁车辆制动模块风缸卡带组成的力学分析.科技资讯():.鲍林晓左言言周海超.三缸柴油机机体约束模态分析.噪声与振动控制():.王维华.动车组拖车转向架构架振动模态分析与强度分析的对比研究.兰州:兰州交通大学.田宗睿李永华唐玉珍等.高速动车组制动模块结构可靠性分析及优化.机械设计与制造工程():.刘敬敏王文涛夏 雨.基于 神经网络和一次二阶矩法的结构可靠度分析.广西科技大学学报():.李娅娜倪 强李永明.动车组吊装结构及联接螺栓接触非线性有限元分析.大连交通大学学报():.制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用