張永貴 于兆華

摘要：隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，人們生活水平的提高，人們對(duì)物質(zhì)的要求越來(lái)越高。就衣食住行中的行方面，技術(shù)不斷革新：火車、汽車、磁懸浮列車等車輛的運(yùn)行性能越來(lái)越高。到目前為止，就軌道交通車輛而言，技術(shù)研究人員對(duì)車體結(jié)構(gòu)的輕量化進(jìn)行了設(shè)計(jì)探析。本文就軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)方式及實(shí)施進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：軌道交通車輛;車體結(jié)構(gòu);輕量化設(shè)計(jì)

1 ?結(jié)構(gòu)輕量化的作用

優(yōu)化是指在保證既有功能不變的情況下，對(duì)原有的系統(tǒng)、技術(shù)進(jìn)行完善或者革新，使其更加符合社會(huì)生產(chǎn)要求。而車體結(jié)構(gòu)輕量化就是通過(guò)對(duì)車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使其在相同的載荷邊界條件下下，具有更輕的重量，使軌道交通車輛的啟停更迅速，能耗更低。通過(guò)科學(xué)有效的方法，在設(shè)計(jì)的變量中選取最佳結(jié)果，實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)最佳。

2 ?車體輕量化的設(shè)計(jì)策略

2.1 科學(xué)選取最佳變量

板梁結(jié)構(gòu)是車體設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因?yàn)榘鍐卧氖芰^大，多更用于構(gòu)建車體的大梁，而梁?jiǎn)卧鳛樾×盒纬梢刂?，同時(shí)夾雜著焊接技術(shù)。車體的大致結(jié)構(gòu)是結(jié)合多年來(lái)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證確定的結(jié)果，因此在車體結(jié)構(gòu)輕量化的過(guò)程中車體的梁柱布置不做變動(dòng)。主要通過(guò)高新技術(shù)將搭建車體結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行重量減輕工作并且不影響車體的承重情況。以優(yōu)化局部板梁厚度為主要工作，梁?jiǎn)卧蚪Y(jié)構(gòu)承重考慮不做消除厚度處理。

2.1.1 分組優(yōu)化

在做車體結(jié)構(gòu)輕量化處理過(guò)程中，選擇進(jìn)行輕量化的結(jié)構(gòu)越多，則輕量化結(jié)果越顯著。但是隨著輕量化的結(jié)構(gòu)單元越來(lái)越多，會(huì)使輕量化過(guò)程變得復(fù)雜，導(dǎo)致輕量化過(guò)程效率降低。所以在輕量化過(guò)程中，將所需要的輕量化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分組優(yōu)化，根據(jù)厚度的異同劃分組別，需要注意的是整體的板與梁結(jié)構(gòu)不能分離開來(lái)優(yōu)化，提高輕量化的工作效率。對(duì)整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量較重的單元需要著重注意，質(zhì)量較小的單元也要考慮其受力情況及敏感程度的分析。在進(jìn)行輕量化過(guò)程之前，將車體的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)綜合的分析，選取最佳的變量結(jié)果，力求在輕量化過(guò)程后到達(dá)理想的結(jié)果。

2.1.2 進(jìn)一步劃分變量

結(jié)合初始變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到了初步優(yōu)化結(jié)果和各變量的靈敏度。首先要進(jìn)一步調(diào)整變量的上下限，并考察各變量所對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量變化情況;對(duì)于應(yīng)力分布不均或者質(zhì)量增大的組件，還需要結(jié)合靈敏度分析結(jié)果（其中包括變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)和所有約束函數(shù)的靈敏度）來(lái)進(jìn)一步劃分。通常情況下，初步優(yōu)化后車體上還會(huì)存在多處應(yīng)力集中，這不僅影響優(yōu)化結(jié)果，還使得優(yōu)化過(guò)程變得更加復(fù)雜。本文將使用一種應(yīng)力集中處理辦法來(lái)消除應(yīng)力集中，并將優(yōu)化變量進(jìn)一步細(xì)化。

2.2 輕量化過(guò)程遇到的約束

輕量化過(guò)程旨在減輕車體重量，使其在軌道交通車輛啟停、能耗等方面更加優(yōu)秀。但不是為了減重而減重，在輕量化過(guò)程中會(huì)有邊界約束條件，如車體的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)及防碰撞能力等。并且“一千個(gè)人中有一千個(gè)哈姆雷特”，汽車的生產(chǎn)雖然已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，但是每個(gè)車體之間仍然有所差異，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)不是一個(gè)固定的數(shù)，而是一個(gè)范圍數(shù)。

軌道交通車輛車體強(qiáng)度涉及拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等多個(gè)載荷工況，在輕量化過(guò)程中，需要將多個(gè)載荷工況統(tǒng)籌考慮。但是如果將所有載荷工況一塊考慮，那么勢(shì)必會(huì)增加輕量化過(guò)程的任務(wù)量和難度。研發(fā)人員在輕量化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，將最苛刻的載荷工況進(jìn)行輕量化優(yōu)化后，其他載荷工況也將基本符合輕量化設(shè)計(jì)的要求?？械糇铍y的骨頭，其他迎刃而解。

2.3 應(yīng)力集中限制

因車體輕量化過(guò)程受到強(qiáng)度和剛度的限制，而強(qiáng)度和剛度問(wèn)題往往伴隨著應(yīng)力集中問(wèn)題，其中大應(yīng)力值會(huì)遠(yuǎn)大于材料允許的應(yīng)力值。在諸多的輕量化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中問(wèn)題比較難解決，尤其是在含有焊接單元的部分。應(yīng)力集中問(wèn)題往往會(huì)造成焊接單元在輕量化過(guò)程中失敗的結(jié)果。

因此，在焊接單元部分著重注意應(yīng)力集中問(wèn)題，研發(fā)人員在經(jīng)過(guò)諸多實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)了解決焊接單元應(yīng)力集中的方法。如圖1所示。

首先，對(duì)焊接單元部分進(jìn)行深入研究，采取更加精密的焊接單元以及對(duì)需要焊接的周圍部件進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，然后模擬輕量化過(guò)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。研究數(shù)據(jù)表明在焊接單元部分的應(yīng)力集中問(wèn)題可以消除。然后對(duì)焊接單元的周圍進(jìn)行二次優(yōu)化，可以消除大部分應(yīng)力集中問(wèn)題，使模型的車體結(jié)構(gòu)更加貼近真實(shí)的車體結(jié)構(gòu)。應(yīng)力集中問(wèn)題可以得到最大可能的解決。

在經(jīng)過(guò)上述操作后，個(gè)別應(yīng)力集中點(diǎn)仍然存在，大都出現(xiàn)在尖角、孔洞、缺口、溝槽處及其單元部分周圍。這種情況下，就需要設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)連接部位進(jìn)行優(yōu)化以消除應(yīng)力集中。

3 ?總結(jié)語(yǔ)

總之，本文通過(guò)分析，針對(duì)軌道交通車體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、靈敏度分析，通過(guò)分組、確定設(shè)計(jì)變量等策略探討了如何實(shí)現(xiàn)軌道交通車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，希望對(duì)軌道交通的高效運(yùn)行以及科學(xué)設(shè)計(jì)方案制定有所幫助。在未來(lái)，軌道交通運(yùn)用日益廣泛背景下，輕量化設(shè)計(jì)也會(huì)越來(lái)越科學(xué)、高效，為軌道交通事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：張永貴（1984-），男，山東日照人，碩士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師。