跨座式单轨关节曲线型道岔的结构优化设计

【摘要】以重庆跨座式单轨道岔梁为研究对象，对道岔梁进行静力分析计算得出，道岔梁在满足其承载力要求的基础上，还存在较大的安全裕度。通过优化软件HyperWorks建立了道岔梁的优化模型，在保证承载力及必要安全裕度的前提下，对道岔梁进行了优化设计。优化前后结果对比表明：在完全满足承载力的条件下，梁体重量降低了15.5%。

【关键词】道岔梁；结构优化；尺寸优化

跨座式单轨道岔是一种特殊结构的道岔，呈“工”字型，顶面为走行面，侧面为导向及稳定面，道岔梁整体转辙时可与轨道或道岔梁对接形成岔道，列车沿曲线行驶，冲击力小，运行平稳，舒适性好。

1、道岔梁的静强度分析

道岔梁全长30m，一共由5段组成，每段长6m， 位于中段的三号梁是由204块钢板焊接而成的箱形梁，高1.42m，宽0.85m，除梁段间起联接作用的部件为合金材料外，梁的主体全部使用Q235-B材料。

利用HyperMesh的自动划分功能对道岔梁进行了网格划分，单元尺寸为25mm，为四节点壳单元，共建立了81593个单元，80456个节点。模型网格划分情况如图1。

图 1 道岔梁有限元模型

根据列车的实际受力情况，现考虑针对最危险工况下来分析梁的应力和变形情况。通过静强度分析，得出了最危险工况下梁体的受力情况。三号道岔梁的最大等效应力为 ，考虑安全系数， ，小于材料屈服应力235MPa，最大变形为0.4255mm，发生在梁体的中上部，大小满足强度和刚度要求，结构存在比较大的优化余地。

2、结构优化设计

2.1尺寸优化

2.1.1尺寸优化模型的建立

（1）设计变量的选取

选取梁体顶板、底板、腹板、横隔板、导向和稳定面板、横向构件、纵向构件的厚度作为优化设计变量，共7个设计变量。

将优化变量写成矩阵形式：

式中： 为顶板厚度； 为底板厚度； 为腹板厚度； 为横隔板厚度； 为导向和稳定面板的厚度； 为内部横向构件厚度； 为内部纵向构件厚度。

（2）约束条件的选取

为了安全考虑，留有安全余量，在最复杂工况下，限定最大等效应力值为70MPa，最大位移值为3mm。

（3）目标函数

选择道岔梁的总质量最轻为优化目标函数。

式中， 为总质量； 为第i个单元的质量； 为道岔梁内所有单元数。

（4）优化的数学模型

道岔梁尺寸优化的数学模型为：

求：

： ，

2.1.2尺寸优化结果

在OptiStruct中设置好各个参数和目标响应，并施加最大的工况载荷进行优化计算，经过3次迭代后，各个设计变量的优化结果如表1。

2.2优化结果的验证

优化前后的应力和位移云圖见图2、3。

图2尺寸优化前后应力云图

图3尺寸优化前后位移云图

道岔梁经过尺寸优化后，结构最大应力为70MPa，与优化前的最大应力相当，且小于结构的许用应力235MPa，改进后的应力分布仍比较合理，最大位移为0.51mm，在合理范围之内，满足其强度、刚度及稳定性要求，通过验算，各板件的局部稳定性也满足要求，说明此次优化方案可行有效。

结论

优化后结构的最大等效应力为70MPa，最大位移为0.51mm，重量下降了0.731T，下降比例为15.5%，优化后的梁依然满足承载力要求。为尽可能保证道岔梁的安全，此次优化仍留有较大的安全裕度，将最大应力控制在70MPa以下，而钢板的最大许用应力为135MPa，所以在此次优化的基础上仍可以进行更深层次的优化。

参考文献

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