費聿坤　韓震　李龍

摘要：文章為對我國某新型地鐵車頂骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析了其的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度，然后依據(jù)各工況的應(yīng)力分布情況找出應(yīng)力存在的位置，同時講解了產(chǎn)生其的原因，然后利用到Optistruct提出幾種優(yōu)化方案，望可以為有關(guān)人員提供到一定的參考和幫助。

關(guān)鍵詞：Optistruct;地鐵;優(yōu)化

當(dāng)前我國軌道事業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提升提升，便捷高校的地鐵受到了許多城市的青睞，車頂骨架是車輛內(nèi)裝中重要的組成部分，其在支撐車頂封到方面有著十分重要的作用，為此文章主要是對某公司開發(fā)的新型地鐵的車頂骨架結(jié)構(gòu)展開了研究和探討。

1.車頂骨架幾何模型的建立

作為車輛內(nèi)裝的重要組成部分，車頂骨架主要包含三個主結(jié)構(gòu)，由上到下依次為風(fēng)道結(jié)構(gòu)、中頂板結(jié)構(gòu)以及扶手結(jié)構(gòu)。車頂骨架結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，便于最后整車模塊化拼裝。每個骨架模塊中，風(fēng)道結(jié)構(gòu)由3根支撐梁承載。支撐梁的兩端通過吊座用螺栓連接于車頂鋁合金型材的滑槽中。中頂板結(jié)構(gòu)的兩邊預(yù)置了兩根安裝的邊梁。邊梁通過螺栓與風(fēng)道下部的頂板邊梁連接。同時中頂結(jié)構(gòu)兩邊與邊頂板搭接。邊頂板直接固定在側(cè)墻。扶手上端安裝在支撐梁凹槽中，下端與浮置地板相連。由上到下依次為風(fēng)道和吊座結(jié)構(gòu)，支撐梁結(jié)構(gòu)，中頂板結(jié)構(gòu)和扶手結(jié)構(gòu)。

2.車頂骨架有限元模型的建立

由于該地鐵車頂骨架結(jié)構(gòu)是由板、梁組成的復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)，各個組件的厚度都比較薄，而且與長度相差太大，理論上各構(gòu)件都可看作是薄壁板殼結(jié)構(gòu)，因而可以全部采用板殼單元建立計算模型。將三維模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，對實體幾何進(jìn)行抽中面，并根據(jù)實際情況針對各個中面進(jìn)行連接，采用Altair公司的Hypermesh劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分前對各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模塊分組，為提高整個網(wǎng)格劃分的速度和保證網(wǎng)格的質(zhì)量，縮短計算時間，需對該車頂骨架幾何模型進(jìn)行清理，去除對分析結(jié)果影響較小的倒圓以及小孔等幾何區(qū)域。在本次有限元模型建模中，針對螺栓連接進(jìn)行一定的簡化。螺栓連接的兩個部件，根據(jù)螺母或者墊片大小在連接處生成相應(yīng)網(wǎng)格區(qū)域，并通過剛性單元將該區(qū)域的從節(jié)點與其中心處的主節(jié)點連接，用與螺栓相同截面的梁單元連接兩個剛性單元的主節(jié)點，模擬螺栓連接處的實際受力情況。

3.車頂骨架強(qiáng)度分析

根據(jù)模型的實際安裝位置，約束三個部位，分別是風(fēng)道吊座連接的車頂型材的滑槽、邊頂板與車體型材連接的部位、立柱扶手下底座位置。其中扶手水平載荷和垂直載荷作用位置相同，將橫扶手5等分后，在四個等分點上施加節(jié)點力。按照正常人握立柱扶手的位置，斜向下45°載荷施加位置。本次分析的靜強(qiáng)度計算載荷主要為三種：扶手水平載荷、扶手垂直載荷、扶手斜向下45°載荷。其中扶手水平載荷和垂直載荷作用位置相同，將橫扶手5等分后，在四個等分點上施加節(jié)點力。按照正常人握立柱扶手的位置，斜向下45°載荷施加位置為：取立柱扶手離地1.4m到三通座之間進(jìn)行6等分，取5個等分點進(jìn)行加載。分析中載荷是單點加力，在加載點容易造成應(yīng)力集中。根據(jù)圣維南定理，遠(yuǎn)離加載點位置的應(yīng)力結(jié)果是準(zhǔn)確可信的。而在加載點位置的受力情況比實際手握要惡劣，故結(jié)果相對保守，安全系數(shù)高。

4.車頂骨架支撐梁形狀優(yōu)化

對列車車體形狀進(jìn)行優(yōu)化主要是為了達(dá)到兩個目的：其一，是減輕車身質(zhì)量從而實現(xiàn)其輕量化;其二，是實現(xiàn)車體各處應(yīng)力能夠有效合理的分布從而避免因為局部應(yīng)力集中而破壞了整體結(jié)構(gòu)。本次優(yōu)化分析也是為了到達(dá)這兩個目的。

4.1車體骨架支撐梁優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計包含三大要素：設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。在車體承載結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，首先要確定上訴三要素，以便建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。

4.2目標(biāo)函數(shù)的選擇

在OptiStruct軟件中，尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化的主要區(qū)別在于設(shè)計變量，本次的最終目標(biāo)是實現(xiàn)該地鐵車頂骨架撓度最小化，即f（x）→min。

4.3設(shè)計變量選擇

對于本次優(yōu)化的車頂承載結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的目的是為了減小變形量，約束條件是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。因此，選取設(shè)計變量是其中最為重要的環(huán)節(jié)。將對應(yīng)力，重量和位移影響較大的參數(shù)優(yōu)先考慮將大大減小優(yōu)化過程的困難程度?？紤]到成本因素，車頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式和選用的材料已定，不能作為設(shè)計變量。優(yōu)化設(shè)計變量的確定實質(zhì)上就是優(yōu)化對象結(jié)構(gòu)的參數(shù)化。本次優(yōu)化的車頂是由梁殼組合，但由于梁的厚度比較小，作為板殼來進(jìn)行分析能達(dá)到更好的效果，所以將板厚作為設(shè)計變量的基本參數(shù)。根據(jù)第三部分的車體靜強(qiáng)度分析，可以發(fā)現(xiàn)，在三個工況下，車頂?shù)木植繀^(qū)域產(chǎn)生了較大的應(yīng)力值。因此打算通過優(yōu)化影響車體承載能力的重要梁柱截面梁柱截面尺寸而達(dá)到目標(biāo)是可行的。根據(jù)以上原則，故選取車頂骨架支撐梁為優(yōu)化對象。本次優(yōu)化對象為不含扶手的車頂骨架支撐梁，初始結(jié)構(gòu)中風(fēng)道結(jié)構(gòu)由3根支撐梁承載，。本次優(yōu)化以材料屈服應(yīng)力為約束，以位移最小為優(yōu)化目標(biāo)?；贠p-tiStruct軟件，我們設(shè)計了如下6種優(yōu)化方案，分別研究支撐梁不同尺寸下，對車體整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響，從而達(dá)到最合適的設(shè)計方案。

4.4約束條件

本文中根據(jù)《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗規(guī)范》關(guān)于強(qiáng)度評價的標(biāo)準(zhǔn)：車頂計算等效應(yīng)力應(yīng)低于材料的許用應(yīng)力。從上述分析結(jié)果中可以看出支撐梁在各工況下整體應(yīng)力都較小，綜合考慮各方面的因素，選擇材料的屈服強(qiáng)度作為約束條件，即車頂骨架支撐梁各工況最大應(yīng)力不超過材料Al的屈服極限125MPa。

5.結(jié)束語

由上可知，在進(jìn)行優(yōu)化后車頂骨架結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布較為合理，且在受力較大的支撐量螺栓連接部位的應(yīng)力明顯降低，有著更高的可靠性。有限元的車頂骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能夠有效減少加工的難度，降低投入的成本，同時提升了施工的質(zhì)量。

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