调车机车底架结构轻量化研究

单绍平 钟恩松 毛乾亚

摘  要：为满足某调车机车对轴重的要求，建立车体结构有限元模型，对车体结构进行静强度校核。在保证车体结构强度和刚度满足要求的情况下，以底架质量最小化为优化目标，以底架结构板厚参数为设计变量，采用OPTISTRUCT软件对底架结构进行尺寸优化分析。分析结果表明：车体底架质量减轻11.97%，满足轻量化目标要求，且轻量化后的车体结构满足EN12663-1：2010标准中强度和刚度的要求。

关键词：调车机车;底架;轻量化;优化分析

中图分类号：U260         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）33-0108-03

Abstract： In order to meet the requirements of some locomotive axle load， the finite element model for the shunting locomotive body is built and the static strength for the body structure is calculated. Considering the factors of structure strength and stiffness and taking the minimum quality of underframe as the goal and taking the plate thickness parameters of underframe as design variables， the size optimization analysis of underframe structure is achieved using OPTISTRUCT software. The optimization analysis results show that the total mass of underframe is decreased by 11.97% after simulation optimization design， which has reached the lightweight target， the strength and stiffness of lightweight underframe is consistent with the requirement of EN12663-1：2010 standard.

Keywords： shunting locomotive; underframe; lightweight; optimization analysis

1 概述

調车机车为罩式车体，底架承载结构，底架轻量化可以有效降低调车机车轴重，进而减少列车运行阻力、降低牵引功率、提高运行速度，减少运行时沿线路基的振动，并降低轮轨之间的噪声[1]。车体底架轻量化设计是在保证车体基本性能满足的前提下，运用优化的方法，尽可能减少多余材料的使用，提高材料利用率，从而达到有效减轻结构重量的目的[2]。

本文以某调车机车底架为轻量化载体，建立机车车体有限元模型，计算8个工况下的静强度和刚度。以此为基础，建立机车底架优化模型，以底架质量最小化为目标对底架的板厚尺寸进行优化。

2 车体有限元模型与载荷工况

2.1 车体有限元模型的建立

该机车车体为底架承载结构，底架承载钢结构均为Q345材料，其余钢结构为Q235。机车两端为司机室，悬浮式结构通过橡胶弹簧与底架连接，电气室、空滤室、动力室、冷却室、制动室等均通过螺栓与底架连接。车体整备状态总重100.014t，底架承载结构总重29.23t。简化后的车体有限元模型如图1所示。

2.2 强度分析评定

根据标准EN12663-1：2010第5.3节和UIC566-1990第3.2节中对安全系数的规定，选择两者中的较大值作为评定安全因数。底架承载结构为Q345钢，其许用应力如表1所示。

2.3 刚度评定

在车体起吊以及静载工况中，两个支座间车体边梁的垂向挠度必须小于或者等于支座间距的千分之一。主要工况允许的垂向挠度如表2所示。

车体结构的模态是评价列车运行安全性的一个重要参数。在列车的运行过程中，若车体模态与转向架的固有频率相差不多，则有可能引起车体的共振。振动的加剧将引起轮轨间作用力剧增，严重时会危及行车安全[3]。计算分析中要求整备状态下车体一阶垂向弯曲自振频率与转向架的点头刚体振动频率的比值应大于或等于1.414。

3 底架结构优化分析

3.1 优化设计流程

本文应用OPTISTRUCT软件对底架结构进行轻量化优化分析。具体优化设计流程如图2所示。

采用OPTISTRUCT软件进行尺寸优化的过程一般分三步：

（1）使用Hypermesh软件创建适当的求解器输入文件。

a.建立有限元分析模型。

b.在OPTISTRUCT模块下设置优化问题。

目标函数：

该优化分析中对底架结构进行优化的目的是在满足强度和刚度约束要求下，减轻车体的质量，即车体质量最小化为目标函数。

约束条件：

车体结构轻量化设计的约束条件主要包括性能约束和边界约束。车体的性能约束包括强度和刚度约束;边界约束用于规定设计变量的取值范围，即设计变量的上下限。

为了提高优化的精度，在结构优化中，将所有8种静强度工况和整备状态模态工况作为优化设计的载荷工况。

设计变量：

计算中以底架部件板厚为设计变量，共计71个。结合初始变量进行优化计算，得到了初步优化结果和各变量的灵敏度。通过灵敏度的设计分析得到各设计变量对质量、强度、刚度以及振动频率的影响因子。

根据各设计变量对质量的影响程度，进一步调整设计变量的上下限。结合约束响应（应力、位移以及振动频率）的灵敏度分析结果，对于应力分布不均和质量较大的组件进一步划分。得出最新优化模型，设计变量减少至8个，进行再次优化分析准备。

（2）定义OPTISTRUCT的参数卡片。

（3）运行OPTISTRUCT计算。

（4）验证结果。

3.2 优化结果

经过5次迭代计算，底架结构优化过程自动完成。由于在优化过程中，底架各部件厚度是连续变化的，优化后板厚包含多位小数，为用于实际生产，需要根据企业要求及企业已有板材规格对优化后的板厚进行圆整。

底架结构优化前后质量对比结果如表3所示。

4 优化后车体结构验证

按照优化结果改变有限元模型中底架各个部件的板厚，对各个工况中，优化后车体结构的强度和刚度进行验证，并与原结构计算结果进行比较。验证计算一律采用整车模型（底架、非承载结构），为方便观察底架结果，应力云图中隐藏了其他组件。由表4可以看出，优化前底架的最大应力为333.86MPa，优化后底架的最大应力为344.61MPa，都未超过材料的许用应力，但最大应力的位置发生了变化。

各主要工况，底架结构优化前后的车体边梁最大垂向挠度对比如表4所示。

从表4可以看出，底架结构优化前后，车体边梁的最大垂向挠度都没有超过允许值，优化后的车体结构刚度满足要求。

車体结构的模态是评价列车运行安全性和乘坐舒适性的一个重要参数[4]，尤其是低阶模态，能反映车体整体的刚度性能[5]。优化后整备状态下车体一阶垂向弯曲模态为6.31Hz，如图3所示。优化前整备状态下车体一阶垂向弯曲模态为6.46Hz，优化前后都能有效避开转向架的点头刚体振动频率（4.54Hz）。优化前后车体的一阶垂向弯曲频率变化不大，说明底架结构优化后虽然车体的重量减轻，但其一阶垂向弯曲频率并没有显著降低。

5 结论

本文对某调车机车车体底架进行结构轻量化优化设计，优化后对车体结构进行了静强度计算工况和模态计算分析，得到如下结论：

（1）通过初步优化及灵敏度分析，得到了对底架结构影响较大的各个优化设计变量。

（2）再次通过对各设计变量的参数化优化，并对底架结构的优化计算板厚值圆整，最终得到了合理的车体底架结构。

（3）优化分析表明，车体整备状态下的自重由100.01吨减少为96.51吨，实现车体结构减重3.50%，底架质量由29.23吨减少为25.73吨，实现底架结构减重11.97%，满足设计目标要求。

（4）优化后的车体结构皆能满足UIC566-1990和

EN12663-1：2010标准中对强度的要求;整备状态下车体结构一阶垂向弯曲振动频率为6.31Hz，有效地避开了转向架构架的振动频率，并与该机车车体初始结构的振动频率相当。

参考文献：

[1]韩鹏飞，陈吉超.HXD3D型机车车体轻量化设计[J].铁道机车与动车，2015，6：24-29.

[2]王璐，肖守讷，朱涛，等.160km/h电力机车车体轻量化研究[J].机车电传动，2015，3：35-38.

[3]雷成，肖守讷.地铁铝合金车体的结构设计和强度分析[J].机车电传动，2006，1：54-56.

[4]王丹，李强.高速客车车体钢结构弹性模态分析研究[J].北方交通大学学报，2001，25（4）：94-96.

[5]赵士忠，田爱琴，赵国忠，等.新一代高速动车组中间车车体的强度及自振频率[J].大连交通大学学报，2012，33（4）：12-15.