地铁列车转向架静载试验台横梁多目标驱动优化分析

钟朱杰 徐礼文 贾洪洋 孙正士

（广州地铁集团有限公司运营事业总部，广东广州510710）

0 引言

转向架是地铁列车的重要组成部分，在架大修过程中需对其进行静载试验，以验证轮重、轴重偏差等重要参数是否在规定的技术要求范围内，从而保证列车的架大修质量，确保列车正线运营安全[1]。转向架静载试验台主要由加载横梁、两侧立柱、底座、轮缘轨装置、称重单元等部件构成[2]，其中横梁作为静载试验台的重要构件，经受力分析其承受的工作载荷力最大，目前试验台正朝着小重量机型发展，因此有必要对转向架静载试验台横梁进行轻量化设计研究[3]。

1 三维模型有限元分析

首先运用三维软件建立横梁的参数化设计模型，然后在ANSYS Workbench中进行静力学结构分析。根据广州地铁四号线车辆大修手册[1]，转向架静载过程根据给定相关挤压力进行静载试验。横梁设计时，承受的最大压力为32 t，采用材料为45号钢，屈服强度为355 MPa，泊松比0.269，取安全系数为1.8，许用应力为197 MPa。经ANSYS Workbench分析求解，得到横梁的变形云图、应力云图以及安全因子图，如图1所示，可知最大变形出现在横梁的中间部位，为0.35 mm；横梁最大等效应力出现在两端螺栓安装孔位置，为163.52 MPa，小于许用应力197 MPa；最小安全因子为2.17，质量为617 kg，存在较大的优化空间，部分材料可以去除。

图1 横梁变形、等效应力及安全因子云图

2 结构优化分析

2.1 设计变量

在上述分析基础上，以横梁底板高V1、侧板宽W1、横梁高V2、加强板宽W2、油管孔R以及顶板高V3（图2）这6个函数作为输入变量，其取值范围如表1所示。

2.2 目标函数

图2 横梁输入参数标记图

表1 设计变量的控制范围 单位：mm

以质量最小化、安全因子、应力以及变形为目标函数进行优化设计，得到优化后的最终尺寸，最后进行优化后的尺寸验证，满足设计要求，为转向架静载试验台结构轻量化设计及性能改进提供理论依据。按照优化设计方法，采用多目标遗传算法（MOGA）进行迭代计算，最终确定三组最优方案，如表2所示。

表2 最优候选方案 单位：mm

2.3 横梁的灵敏度分析及相应曲面分析

灵敏度分析是研究与分析一个系统或输出变量对系统参数变化敏感程度的方法，通过灵敏度分析能够较好地确定哪些参数对系统有较大的影响[4]。灵敏度分析可以使形状结构得到较好的优化，因此，灵敏度分析是优化分析前的重要一步[5]。由图3可知，对横梁质量影响程度依次为：侧板宽W1＞底板高V1＞顶板高V3＞横梁高V2＞加强板宽W2＞油管孔R。对横梁最大应力影响程度依次为：底板高V1＞侧板宽W1＞横梁高V2＞顶板高V3＞加强板宽W2＞油管孔R，如表3所示。从而可知参数侧板宽W1和底板高V1对质量、变形、应力和安全因子的影响最大。

从图3及图4可以看出，横梁安全因子和质量主要受侧板宽W1、底板高V1、顶板高V3和横梁高V2的正影响，而横梁变形和应力主要受侧板宽W1、底板高V1、顶板高V3和横梁高V2的负影响。即侧板宽W1、底板高V1、顶板高V3和横梁高V2降低可以减少质量，但也会降低安全因子，因此需要寻找它们之间的折中点，进行响应曲面优化。

图3 灵敏度分析

表3 设计变量对横向质量、变形、应力、安全因子的影响

图4 质量、安全因子响应曲面图

2.4 优化结果及验证

设定质量的类型为最小值Minimize，安全因子的类型为寻找目标，值为2.2且要大于最小值2。优化后的尺寸值为V1=25mm，W1=11 mm，V2=407 mm，W2=5.5 mm，R=85 mm，V3=9.8 mm，横梁尺寸设置为优化后的尺寸，得到优化后的应力、变形和安全因子图，如图5所示。结构优化前后的结果如表4所示。

图5 优化后横梁变形、等效应力及安全因子云图

表4 结构优化前后的结果

通过观察表4、优化后横梁变形云图和等效应力图，可知优化前后最大等效应力均小于许用应力，满足强度要求；横梁的变形量较小，确保了加载精度要求；优化后的横梁总质量减少了14.91%，满足设计要求且达到质量最小化、减少成本的目标。

3 结语

通过对转向架静载试验台横梁在最大受力工况下的有限元分析，结合响应曲面分析方法对试验台横梁进行多目标驱动优化。分析结果表明，在保证强度和刚度的前提下，优化实现了质量最小化，提高了安全系数。分析证明，通过优化，横梁质量由617.17 kg降低到525.54 kg，而安全因子由2.17提升为2.23，满足设计要求，且达到质量最小化、节约材料、减少成本的目标，为转向架静载试验台的设计和改进提供了技术支持。

[1]南车四方机车车辆股份有限公司.广州地铁四号线车辆大修手册[Z]，2008.

[2]尹晓亮，刘阳，刘晓岩.轨道车辆转向架静载试验台的研制[J].机车车辆工艺，2012（1）：33-34.

[3]王歆栎.地铁转向架静压试验台综合技术研究[D].长春：吉林大学，2010.

[4]陈勉，王进，温云，等.自动穿鞋带机的机械夹爪多目标优化设计[J].轻工机械，2015，33（6）：6-13.

[5]LUO X Y,YANG B S,LEI C,et al.CAD based design sensitivity analysis and shape optimization of scaffolds for bio-root regeneration in swine[J].Biomaterials,2015(57):59-72.