葛忠孝

摘要：我國(guó)的鐵路運(yùn)輸是通過(guò)多種學(xué)科和多種領(lǐng)域所結(jié)合的產(chǎn)物，對(duì)于現(xiàn)今最為受歡迎的高速鐵路就具有較高的性能要求，高速鐵路通過(guò)解決國(guó)外各種難題，總結(jié)了先進(jìn)的技術(shù)，通過(guò)不斷創(chuàng)新和研究，逐漸提升自身的技術(shù)和能力，為我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展提供了非常有利的條件。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設(shè)計(jì)研究；

當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我們的鐵路運(yùn)輸業(yè)正在迅速發(fā)展隨著時(shí)間的推移，我們鐵路系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步在我國(guó)鐵路車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，逐步優(yōu)化和創(chuàng)新已逐步得到重視這對(duì)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。

一、我國(guó)鐵路車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展?fàn)顩r

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，我國(guó)鐵路車輛輸業(yè)也在不斷的發(fā)展中，車輛系統(tǒng)更是得到了完善。從二零零六年起我國(guó)就提出了“鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要加快，不斷提升路網(wǎng)運(yùn)輸?shù)墓δ埽粩嗵嵘F路自主創(chuàng)新的能力，實(shí)現(xiàn)鐵路設(shè)備技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展”的思想。而體現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化最明顯的標(biāo)志就是實(shí)現(xiàn)車輛設(shè)備的現(xiàn)代化，這樣才能推進(jìn)鐵路技術(shù)良好發(fā)展。要想實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸設(shè)備的現(xiàn)代化，鐵路部門就必須要運(yùn)用先進(jìn)、成熟、可靠的技術(shù)，才能有效實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、信息化。我國(guó)鐵路客運(yùn)方式包括：內(nèi)燃動(dòng)車組、內(nèi)燃集中牽引列車、電力集中牽引列車以及電力動(dòng)車組等形式，這些鐵路客運(yùn)形式都是全世界廣泛應(yīng)用的方式，而且內(nèi)燃動(dòng)車組和電力動(dòng)車組都是比較受歡迎的形式，它的編組相對(duì)比較靈活、相對(duì)比較方便安全。

二、鐵道車輛輕量化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的諸多關(guān)鍵因素中，機(jī)車車輛輕量化無(wú)疑是重點(diǎn)之一。輕量化將涉及總阻力的大小、列車對(duì)線路的動(dòng)力作用、磨耗、噪音等許多方面，顯然為數(shù)眾多的車輛輕量化的實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)行將具有重大意義。輕量化的途徑基本可以歸納為3個(gè)方面：計(jì)算理論及方法的應(yīng)用及發(fā)展；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)；新材料的采用及發(fā)展。下面僅就計(jì)算理論、方法的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行闡述。計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域里，結(jié)構(gòu)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論及方法的不斷更新，使得工程結(jié)構(gòu)的輕量化程度日益提高。車輛設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，使其在保證一定的強(qiáng)度和剛度的前提下力爭(zhēng)最輕的自重。結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的發(fā)展已不再是單純要求設(shè)計(jì)師憑經(jīng)驗(yàn)去創(chuàng)造設(shè)計(jì)方案，而是在初定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上運(yùn)用優(yōu)化理論去尋求例如作為目標(biāo)函數(shù)的重量等等的最優(yōu)值，從而獲得最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的研究及其軟件研究在我國(guó)已開(kāi)始活躍與發(fā)展，在工程實(shí)際上已取得初步成果，其中有代表性的是具有國(guó)際先進(jìn)水平的DDDU-2優(yōu)化程序系統(tǒng)，而這個(gè)程序系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)是，能夠直接解決實(shí)際工程中應(yīng)用極為廣泛的含梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。因?yàn)榭臻g梁不僅受力復(fù)雜，而且其橫截面上的9個(gè)特性量之間的關(guān)系也很難確定，國(guó)外的幾個(gè)知名的程序?qū)λ疾扇×嘶乇艿膽B(tài)度。專門為鐵道車輛開(kāi)發(fā)的專用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件（TCJY），則在處理復(fù)雜截面梁的優(yōu)化方面有其獨(dú)到之處。鐵道車輛設(shè)計(jì)具有下述一些特點(diǎn)：各類客、貨車輛基本結(jié)構(gòu)各自有很大相似性，結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好；有“鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)鑒定規(guī)范”為依據(jù)，因此載荷標(biāo)準(zhǔn)化，約束規(guī)范化；但是結(jié)構(gòu)的桿、梁截面形狀復(fù)雜，存在無(wú)任何對(duì)稱性的復(fù)雜截面，這一特點(diǎn)在客車結(jié)構(gòu)中尤為突出。針對(duì)這一問(wèn)題，該系統(tǒng)很好地處理了梁截面物理參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系的表達(dá)問(wèn)題，提出了統(tǒng)一的精度表達(dá)形式，從而解決了無(wú)對(duì)稱軸的復(fù)雜截面的優(yōu)化問(wèn)題。鐵道車輛可以簡(jiǎn)化成為一個(gè)桿—梁—膜的組合結(jié)構(gòu)，或一個(gè)桿—梁組合結(jié)構(gòu)，在車輛結(jié)構(gòu)中梁是起主要作用的構(gòu)件，其橫截面形狀復(fù)雜，種類繁多，如用回歸統(tǒng)計(jì)的方法求得這些梁截面特性量之間的函數(shù)關(guān)系式，則其工作量是極其龐大的。

三、鐵路車輛結(jié)構(gòu)多層面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1.對(duì)近似模型優(yōu)化的技術(shù)研究。對(duì)于鐵路車輛結(jié)構(gòu)工程來(lái)說(shuō)是一些非常復(fù)雜的工程內(nèi)容，而在鐵路車輛復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)中，近似模型是非常重要的內(nèi)容。在工程結(jié)構(gòu)中，不同的形態(tài)函數(shù)是設(shè)計(jì)變量的隱函數(shù)，所以在進(jìn)行此項(xiàng)工作時(shí)，必須要基于有限元法才能有效進(jìn)行。也就是說(shuō)對(duì)于當(dāng)前的設(shè)計(jì)點(diǎn)上的有限元模型進(jìn)行重新分析。車輛結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有限元模型計(jì)算量也是相對(duì)比較大的，消耗的時(shí)間也比較長(zhǎng)，如果運(yùn)用有限元分析的方法作為優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，那么其工作比較難開(kāi)展，因此要想提高優(yōu)化分析的效率，則必須要運(yùn)用近似模型來(lái)替代有限元分析的形式，所以近似模型對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化更具有可行性。

2.轉(zhuǎn)向架軸箱轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化中是可以通過(guò)劃分其難易程度從這三個(gè)層次進(jìn)行有效的優(yōu)化，分別是對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)形狀進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化。而對(duì)于拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)說(shuō)它是在尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化兩者發(fā)展后而形成的優(yōu)化形式，它的主要目的就是設(shè)計(jì)有利的空間，為結(jié)構(gòu)創(chuàng)建出最佳的傳力形式，并以減少材料進(jìn)行傳遞外載荷，形成最好的布局效果。轉(zhuǎn)臂是鐵路客車中轉(zhuǎn)向架的最重要的部件，它是連接構(gòu)架和車軸的重要部分，它的一端是通過(guò)彈性定位節(jié)點(diǎn)來(lái)連接構(gòu)架定位座，而另外一端要與裝在軸箱彈簧外側(cè)垂向部位的減震器進(jìn)行連接。在對(duì)轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，前提是滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度，并要有效降低結(jié)構(gòu)的重量，通過(guò)變密度法對(duì)轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，這樣才能保障車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化。

3.高速鋁合金車體優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，人們通常會(huì)想起結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)，并運(yùn)用優(yōu)化算法來(lái)進(jìn)行此項(xiàng)工作，但是還有另一種方法，就是利用敏度信息的比較擇優(yōu)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其主要是通過(guò)敏度進(jìn)行分析，操作形式相對(duì)比較簡(jiǎn)單且易操作，對(duì)于高速鐵路的客車車體設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，就可以通過(guò)這一形式進(jìn)行優(yōu)化，高速列車車體輕量化是鐵路車輛最重要的工作項(xiàng)目。而鋁合金密度較小，強(qiáng)度比較高，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，成型效果相對(duì)較好，高速鐵路的列車采用鋁合金材質(zhì)是最佳的選擇，但是在執(zhí)行當(dāng)中卻受很多因素的影響。因此在進(jìn)行敏度分析時(shí)，一定要根據(jù)實(shí)際情況，選擇最佳的狀態(tài)，再對(duì)其位移敏度、應(yīng)力敏度進(jìn)行有效的分析，并運(yùn)用有效措施創(chuàng)建高速鋁合金車體的高精度的模型，再對(duì)其進(jìn)行有限元進(jìn)行有效分析，對(duì)車體的位移敏度和應(yīng)力敏度進(jìn)行計(jì)算，在根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出輕量化車體優(yōu)化方案，為高速客車打造輕量化的車體。

4.增壓器壓氣機(jī)葉片靜動(dòng)態(tài)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。對(duì)于鐵路機(jī)車和內(nèi)燃動(dòng)車組采油機(jī)來(lái)說(shuō)，多數(shù)都是利用了廢氣渦輪增壓器進(jìn)行運(yùn)作，而現(xiàn)今隨著我鐵路車輛的高速化和重載化，因此必須要對(duì)增壓器進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到增壓器的高壓比、高效率等功能，對(duì)于傳統(tǒng)的增壓器來(lái)說(shuō)，增壓器壓氣機(jī)葉片靜動(dòng)一體化優(yōu)化的設(shè)計(jì)是更加能夠符合現(xiàn)今社會(huì)發(fā)展需求。壓氣機(jī)葉片是典型的多場(chǎng)藕合問(wèn)題，其中包含氣動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等，因此必須要保障壓氣機(jī)氣動(dòng)性能，保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)特性的約束，從而進(jìn)行多學(xué)科一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作?！皩?duì)于增壓器壓氣機(jī)葉片靜動(dòng)態(tài)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”。首先要對(duì)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行三維參數(shù)化建模，再利用全三維流場(chǎng)進(jìn)行分析，從而得到葉片的表面壓力，其次在利用線性差值實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)到結(jié)構(gòu)藕合信息的傳遞功能，再次利用I一DEAS和ANSYS軟件來(lái)分析其葉片的靜動(dòng)狀態(tài)特性，從而對(duì)葉片結(jié)構(gòu)輕度和振動(dòng)頻率進(jìn)行多學(xué)科一體化的優(yōu)化，來(lái)實(shí)現(xiàn)其增壓器壓氣機(jī)葉片靜動(dòng)態(tài)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

隨著我國(guó)對(duì)鐵路運(yùn)輸車輛系統(tǒng)的不斷發(fā)展，國(guó)家必須要重視車輛結(jié)構(gòu)多層面優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，并根據(jù)其特點(diǎn)和所存在的問(wèn)題對(duì)其進(jìn)行有效的優(yōu)化，這樣才能保障鐵路車輛系統(tǒng)發(fā)展的，以更好的適應(yīng)現(xiàn)今社會(huì)，良好的推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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