铁道车辆车体强度提高研究范文

《国外铁道车辆杂志》2016年第6期

摘要：

介绍了以铁道车辆结构的高强度化及轻量化为目标，对车辆结构的最优化方法所开展的研究工作。

关键词：

铁道车辆；结构；最优化方法；日本

1概述

近年来，对于铁道车辆提出了诸如安全性、高速化或乘坐舒适度等各种各样的迫切要求。应该对铁道车辆的车体结构进行设计，来满足这类需求。而关于高强度化与轻量化，如从结构方面看，有相反的要素。另外，为评价可靠性，也有必要研究车辆车体结构及焊接区的寿命，不过，传统的设计方法中难以开展这类研究。针对这样的课题，瞄准确立车体结构合理设计方法的目标，引进了有限元法数值仿真的结构优化方法。该优化方法已在汽车、航空、设备、机组等各个领域应用，但是，零部件规模的应用占据大多数比重。铁道车辆作为大型结构物，由于载荷传递复杂，认为要将整个车体结构列为对象的研究必不可少。因此，本研究以原有的车辆车体结构为对象，精确地建立整车模型，构建假定能实现高强度以及轻量化的车体结构设计的结构优化方法。同时，关于车体焊接区，也根据建立精密模型的方法，研究建议的高可靠性车体结构方法的可行性。

2车体结构优化方法

2．1结构优化的分类

假设大致划分寻求结构优化的方法，而这些结构收稿日期：2015－09－28要满足根据某原型的结构所给与的设计必要条件，则有尺寸优化、形状优化、拓扑学优化等3种方法［1］。尺寸优化是将现行设计的尺寸作为设计变量，进而当作参数进行评价的方法。最优化方法中应用了线性规划法［2］等。假设外形形状为设计变量的形状优化，以及内部结构也设定为设计变量的拓扑学优化是根据组合FEM分析、灵敏度分析、最优化方法，进行结构优化的方法。这些方法的设计变量多，所以，虽说优化的自由度高，可是，在收敛性方面，需要最佳性基准法［3］等适当的优化方法。本研究中根据对生产制约等了解少的情况，认为拓扑学优化的结果评价困难，所以，运用形状优化法进行研究。该方法的优点是可以考虑强度、刚度、局部压曲以及几何约束等诸多的约束条件。此外，也容易开展实体结构的设计，缺点是对FEM分析的早期网格的依赖性大，要素出现变形（或分布不均）情况下，需要变更网格。因此，形状变更范围狭窄，大幅提高性能就要借助于拓扑学优化法。

2．2形状最佳化

形状最佳化是将FEM模型的边缘及几何表面的边界部节点作为设计变量，进行最佳化的方法。该方法1973年由Zienkiewicz与Campbell［4］建议采用，统一FEM分析及灵敏度分析，求解结构的均衡状态与设计灵敏度。运用该灵敏度，根据最优化作为设计变量的节点坐标的方法进行更新，是推导出最佳结构的途径，由此，面向实用化开辟了通道。不过，本研究中应用的非参数形状最佳化［5］，为缓和应力，在表面变更的同时，变更有限元网格的过程带来最大的困难。许多的形状最佳化程序，每一个最佳化环节（回路），自动地再生成有限元网格，避免变更原有网格的处理。因此，早期的要素拓扑学（初期网格）被破坏，多数情形下，成为新的模型被建立。一边保持要素拓扑学，一边由表面部分按顺序计算网格的变更，这样实施的程序少。本研究中，将形状变更范围设定为要素尺寸以下，根据约束条件的设定，做到避免要素拓扑学的破坏，实施了形状最佳化。

2．3结构最佳化算法

为实现原有的不锈钢制车体结构的高强度化及轻量化目标，提出结构最佳化算法的建议。本研究中，为进行原有车体结构的最佳化，应用形状最佳化的方法。此外，由于铁道车辆是大型结构件，其实际动态复杂，运用部分模型评价载荷传递路径及应力的大小是困难的。另一方面，承受高载荷区域，是限定的区域，基于单车车体模型实施最佳化的方法并不高效。因此，如图1所示，首先根据单车车体的精密模型实施应力分析，根据评价高载荷区域以限定结构最佳化的实施区域。其次，根据部分车体结构模型，实施结构最佳化。这时，由一个车辆模型的分析结果来决定载荷条件。车辆的车体结构有许多部位是同一结构，所以，不但将根据结构最佳化以实现高强度化及轻量化的结构应用于该部位，而且，也对相同部位予以同样的应用。最后，根据应用了最佳化结构的单车车体模型进行应力分析，验证其结果，不满足最佳条件的情况下，再次实施部分区域的评价。

3部分车体结构建模

3．1分析模型结构

最佳化方面，基于FEM应力分析的精度是重要的。因此，建立图2所示的部分车体结构模型，验证了进行结构最佳化是否得到足够的精度。该车体结构是既有线用不锈钢制作车体侧墙板块的普通车体。由接头构件结合外板、侧柱、腰带组成车体。关于构成模型的要素，因为外板及骨架是薄板结构，所以应用薄壳结构要素。点焊部有必要建立更精确的模型，所以，并非只基于刚体要素的结合，而是运用实体要素与刚体要素，才能做到描述力学上的实际动态。建立点焊部模型的情况下，普通的方法是，如果为通用FEM代码，就运用再现焊接的刚体要素以结合模型。但是，本模型因为是刚体要素，并不能表达点焊部（熔核）的弹性状态。因此，使用实体要素建立点焊部的模型，通过运用刚体要素结合这类要素与构件的壳体要素，建立了能再现点焊部的FEM分析模型。至于刚体要素，根据从实体要素结合到壳体要素的节点间的距离，对载荷传递进行加权计算，由此，因为能够结合成任意的网格模型，不依赖于结合构件的网格形状，可再现点焊区，评价点焊内部及焊接引起的应力集中。

3．2部分车体结构模型的验证

3．2．1基于部分车体结构模型的应力分析

利用图2所示的部分车体结构模型，进行了应力分析。从材料常数看，由于模拟SUS304不锈钢，所以设定弹性常数为210GPa，泊松比为0．3。此外，也考虑构件间的接触进行计算，所以，设定摩擦系数为0．3。从边界条件看，为了与下节所述的试验相吻合，载荷条件设为10kN。另一方面，约束条件设定腰带两端完全固定。图3为基于FEM应力分析结果所得到的最大主应力轮廓线图。将在分析结果中计算的高应力部位，以及在点焊区等应该关注的部位设定为下节的强度试验中的应力测试点。

3．2．2基于部分车体试件的强度试验

为验证基于壳体要素描述的车体结构以及运用实体要素的点焊区模型的妥当性，采用与图2的部分车体结构与形状相同的实物大小的部分车体试件（图4），实施了拉伸试验。试样采用SUS304不锈钢。此外，拉伸试验的载荷条件与应力分析的载荷条件相同，为10kN载荷。试件的约束条件为固定腰带的两端。由此，通过使侧柱向上方拉伸，在腰带的接合部位附近施加载荷。应力的测试采用应变计，由测试的应变根据弹性系数进行换算。应力测试点是由分析结果选定的图5所示部位。

3．3分析与试验结果的比较

表1给出分析及基于实物大小的部分车体结构试件进行的拉伸试验得到的各测试点的应力。如表1所示，在低应力部分虽然有若干波动，可是，高应力部分却能够以充分的精度再现出来。在低应力部分产生波动的原因，可以推测为缘于试验中测试应力低的情况下，测试误差较大。至于测试点1～测试点5，是点焊区附近的测试结果，但可看到分析与试验结果十分吻合，因此，可认为点焊区的建模是妥当的。

4基于单车车体模型的强度分析

4．1分析模型

为实现结构最佳化，评价运行时车体结构承载载荷的传递路线及发生应力分布，利用图6所示的既有线用不锈钢制车辆的单车（1辆车）车体模型，基于FEM实施了动态应力分析。从分析中应用的要素看，车体构件是三维壳体要素，点焊区是刚体结合的连接要素。分析模型只考虑将车体结构的地板下机组及制冷装置等附带设备，作为质点表示的载荷（或质量），没有考虑内装修（如座椅等）。

4．2分析条件

作为应力分析中的载荷条件，对枕梁两端部的空气弹簧安装部位施加了加速度。根据运行试验中产生了最大应力时的加速度测试值，假定了从1位到4位的加速度（图7）。图7（a）是以车体长度方向为轴的无扭转的垂直方向的变化；图7（b）是车体有扭转的条件。

4．3高载荷区域的评价

从运用单车车体模型实施动态应力分析的结果得知，由枕梁起靠近车体中部的侧墙体，尤其是车窗转角部以及车顶上安装制冷机组附近产生明显的应力。本文考虑节省篇幅，只论述车窗转角部位。如按照有、无扭转情况的比较，则车体有扭转条件下产生了高应力；车体无扭转情况下，车体侧面的应力分布大体上呈现左、右对称。有扭转情况下，1位、4位及2位、3位分别形成同样的应力分布。图8表示车体有扭转条件下车体侧面的应力分布。

5车体模型的结构最佳化方法

5．1面向最佳化的FEM分析

根据前节所述的基于单车模型进行动态应力分析的结果，已弄清楚了车体侧面的车窗转角部形成高载荷区域。因此，就这些区域而言，建立适于FEM分析用详细的部分车体结构模型，将高强度化及轻量化作为最佳的必要条件，尝试结构的最佳化。实施结构最佳化时，运用了FE－Design公司研制的结构最佳化工具TOSCA［6］。实施结构最佳化时，建立了图9所示的车体结构侧面的FEM分析模型。从该分析模型看，为提高计算精度，相比于单车车体模型，设定了更为精细的网格模型。根据3．1节中说明的应用了实体要素的方法，建立了点焊区模型。车体侧面的模型是由侧墙外板、使用了帽形型材的柱件及腰带、接头等构件构成的。因为构件全部用板材，所以，分析模型使用壳体要素。此外，关于外板的压肩部使用钢板用的粘接材料，分析中使用NASTRAN的黏着功能来描述。至于结构最佳化的过程，由单车车体模型切出高载荷区域作为部分车体结构模型，以部分车体结构模型为对象进行应力分析，运用所谓Zooming法［7］。从部分车体结构模型的边界条件看，根据将单车车体模型的边界节点的位移值作为强迫位移施加的方法，使得与单车车体模型的应力载荷状态相同。由此，就能够只在高载荷区域用更精细的网格模型进行计算。

5．2关于最佳化条件

本研究中根据形状最佳化方法实施车体结构的高强度化及轻量化。作为最佳化条件的设定，首先，从进行最佳化的设计区域看，只设定柱件及车顶椽子等骨架结构，外板除外。这是为了不改变车体结构的外观。关于点焊区，因为利用刚体要素结合壳体要素与实体要素，所以，设计范围不包括点焊部。其次关于目标函数与约束条件，假设各个应力与质量。将应力的最大值作为目标函数，使该值为最小，将轻量化率作为约束条件进行指定，以便部分车体结构的质量按照指定的比例（轻量化率）减小。作为载荷条件，能够同时考虑多数情形。因此，由基于单车模型的前述的2种加速度条件（图7中车体有、无扭转）的分析结果，分别计算出部分车体结构模型受到的强迫位移，将计算结果作为载荷情况应用。

5．3车体的最佳结构

应用前文所述的应力分析模型，以及根据应用最佳化条件的非参数形状最佳化方法，为实现车体侧面车窗转角部的高强度化与轻量化，实施了最佳化。结构最佳化计算，首先，为减小质量，使涉及范围的要素均等地缩小。例如，缩小骨架构件或者缩小接头构件。然后，对已修正的形状进行应力分析，根据计算结果，将应力高的部位相对于应力缓和方向扩大形状。反复进行这一工作程序，直至满足最佳化条件。最佳化条件的设定，作为约束条件，设定质量减轻的比例（轻量化率）为0％、12％和20％。作为目标函数的应力，将最大值设定为最小（降低设计范围内的最大应力值）。图10表示基于结构最佳化方法，轻量化率的变化与最大应力值的降低。由该计算结果可知，经过10次左右反复计算，其计算结果收敛。通常情况下，结构最佳化方面需要几十次至几百次左右的反复计算，而本方法仅用少量的反复计算次数，就能达到计算结果收敛。这可认为是应用最佳性基准法的效果。第1次计算中，由于缩小形状的比例高，所以，应力值比初期值升高。在以后的反复计算中，要求应力值缓和以进行结构最佳化。图11为在设定轻量化率为12％的情况下，最佳化前后的应力轮廓图。观察图11的模型形状，则骨架的形状发生了变化，可知应力值也在缓和中。从最佳化后的部分车体结构看，虽然相比于初期形状质量降低了12％，但最大应力值却减小了12％。图12表示骨架结构形状的变化。从骨架构件看，可知由于做成曲线形状，比呈直线形状的弯曲强度要高。还需要开展制造上的约束等研究。通过形状变化，由于强度提高，形状缩小成为可能。关于车顶部等其他高应力区域，同样实施结构最佳化。由于在车辆车体结构的相同构件上应用的缘故，可推测车辆整体强度会提高。另外，关于高强度化与轻量化的效果，通常情况下存在协调（平衡）的关系。因此，对于单车模型应用最佳化的部分车体结构，分别评价了效果。其结果见图13，根据结构最佳化的约束条件，改变了最佳化载荷的结果，表明了在保持质量不变的情况下，最大发生应力可降低40％；在保持最大应力值情况下，能够实现7％的轻量化。

6结束语

瞄准铁道车辆车体结构的高强度化及轻量化目标，对结构最佳化的一种有效方法即非参数形状最佳化方法开展了研究。为应用于车辆车体结构，在单车整体的FEM分析中，运用Zooming法，力求分析的高效化，将根据结构最佳化所得到的部分区域的车体结构模型，应用到单车模型中，再次实施结构最佳化，直至达到规定的目标值，建立了结构最佳化的算法。列为形状最佳化对象的部分车体结构模型，要求能够高精度，并且有效地评价点焊区及其周边的应力状态，进而建立模型。关于应力分析精度，利用实物大小的车体结构试件进行拉伸试验，模拟了车体试件实施应力分析，根据与试验结果比较的方式，确认了分析模型的妥当性。作为结构最佳化的实例，运用不锈钢制作精确的车辆单车车体模型，将运行试验数据作为边界条件施加，进行动态应力分析，评价了车体的高应力部位。基于该分析结果，以车体侧面车窗转角部附近区域为对象，实施结构最佳化，寻求最佳结构，能够得到提高强度的形状。将最佳化部分区域的骨架结构应用于单车车体模型的方法，可以使车辆整个车体实现高强度化及轻量化。

参考文献：

［1］西脇二，泉井一浩，菊池昇．トポロジ最适化［M］．丸善，2013．1－7．

［3］赤木新介，藤田喜久雄．设计エキスパトシステムの基础と用［M］．コロナ社，1990．23．

作者:高垣 昌和 单位:日本