摘  要：有軌電車各車體模塊間通過(guò)鉸接結(jié)構(gòu)組合約束、釋放自由度，使車輛能夠平順通過(guò)小半徑曲線，保證車輛平穩(wěn)運(yùn)行。鉸接結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，頻繁承受動(dòng)態(tài)載荷，因此鉸接安裝座是有軌電車車輛的關(guān)鍵部件。有軌電車車輛開(kāi)放鉸安裝座的最初設(shè)計(jì)由板材拼焊組成，工藝復(fù)雜，其焊接質(zhì)量、安裝面平面度等關(guān)鍵尺寸很難保證。本文利用OptiStruct 軟件的拓?fù)鋬?yōu)化功能對(duì)鉸接安裝座進(jìn)行優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果并結(jié)合鑄造工藝要求，形成鑄鋼安裝座的最優(yōu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元分析計(jì)算的驗(yàn)證，滿足工況載荷要求。

關(guān)鍵字：拓?fù)鋬?yōu)化 有軌電車 鉸接 強(qiáng)度分析

0 概述 

       隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，公共交通成為交通行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)[1]。載客量大、乘坐方便的有軌電車成為了中小城市干線交通和大城市支線交通的首選[2]。現(xiàn)代有軌電車大都采用短車體模塊化設(shè)計(jì)，各車體模塊間通過(guò)鉸接結(jié)構(gòu)組合約束、釋放自由度，使車輛能夠平順通過(guò)小半徑曲線，保證車輛平穩(wěn)運(yùn)行。鉸接結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，頻繁承受動(dòng)態(tài)載荷，因此鉸接安裝座是有軌電車車輛的關(guān)鍵部件。有軌電車車輛開(kāi)放鉸安裝座的最初設(shè)計(jì)由板材拼焊組成，工藝復(fù)雜，其焊接質(zhì)量、安裝面平面度等關(guān)鍵尺寸很難保證。

    本文以優(yōu)化設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種鑄鋼開(kāi)放鉸機(jī)構(gòu)安裝座。本文首先將鉸接安裝座可設(shè)計(jì)空間進(jìn)行有限元建模，其次建立約束方程和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，最終根據(jù)優(yōu)化結(jié)果分析設(shè)計(jì)出剛度好、可維護(hù)性好、輕量化的鑄鋼安裝座。即在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最優(yōu)的材料分布。

                                                         圖1 優(yōu)化前鉸接安裝座

1  拓?fù)鋬?yōu)化理論基礎(chǔ)

        結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化能在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)概念性設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在布局上能夠采用最優(yōu)方案，已經(jīng)成為當(dāng)今研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)熱點(diǎn)。OptiStruct是一個(gè)面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，擁有先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，提供全面的優(yōu)化方法。

       變密度法是連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的常用方法，是一種比較流行的力學(xué)建模方式，與采用尺寸變量相比，它更能反應(yīng)拓?fù)鋬?yōu)化的本質(zhì)特征。它也正是OptiStruct中所采用的材料插值方法。變密度法的基本思想是引入0到1的可變材料，指定每個(gè)有限單元的密度相同，并以每個(gè)單元的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量。當(dāng)單元相對(duì)密度t=0時(shí)，表示該單元無(wú)材料，單元應(yīng)刪除；當(dāng)單元相對(duì)密度t=l時(shí)，表示該單元有材料，保留或增加該單元。變密度法直接假定相對(duì)密度與材料彈性模量之間的非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。以結(jié)構(gòu)整體的體積約束作為優(yōu)化的約束條件，以剛度最大化作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

2 有限元模型

       本次分析設(shè)計(jì)與最初設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比較，在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)類型上完全不同，鉸接安裝座與車體型材間通過(guò)鉚接連接，因此要預(yù)留安裝空間，安裝座與鉸接機(jī)構(gòu)的接口結(jié)構(gòu)保留不變。在確定了鉸接安裝座設(shè)計(jì)空間后，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化變密度法對(duì)該空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

       本文根據(jù)有軌電車的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)了兩種工況，工況一由有軌電車開(kāi)放鉸在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中所受到的最大靜態(tài)力進(jìn)行加載，工況二由有軌電車整車工況計(jì)算出的最大鉸接力得出。該模型對(duì)預(yù)測(cè)的螺栓孔位置進(jìn)行約束。共劃分了46448個(gè)節(jié)點(diǎn)，43135個(gè)單元。

 表 1 開(kāi)放鉸安裝座載荷工況

工況一

最大靜態(tài)力

Fy=50KN

 

                                          圖2鉸接安裝座有限元模型

3 優(yōu)化結(jié)果分析

       在hyperworks的optimization模塊建立拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)變量，并定義相應(yīng)函數(shù)：體積(volume)。以體積最小作為優(yōu)化目標(biāo)，施加載荷節(jié)點(diǎn)合位移小于0.05，設(shè)計(jì)變量為單元密度。安裝孔以此建立優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)不僅重量最輕，而且滿足所有載荷工況的約束要求。本次分析包含了兩種響應(yīng)，體積響應(yīng)和位移響應(yīng)。

                                                       圖3 鉸接安裝座單元密度

                                                      圖4鉸接安裝座拓?fù)浣Y(jié)果

       運(yùn)行OptiStruct 軟件，進(jìn)行優(yōu)化分析，最終得到最優(yōu)結(jié)果，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4 所示，優(yōu)化結(jié)果保留了螺栓約束部位、鑄件安裝頭及中間筋狀的部分材料。因此在理論上，該鉸接安裝座有較大的余量可以進(jìn)行優(yōu)化。但是考慮到鉸接安裝座的安裝，以優(yōu)化結(jié)果作為基礎(chǔ)，結(jié)合鑄造工藝，重新設(shè)計(jì)鉸接安裝座，設(shè)計(jì)模型見(jiàn)圖5。

                                                                 圖5 三維模型

4 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)校核

       在HyperMesh 中重新建立新設(shè)計(jì)的開(kāi)放鉸安裝座的有限元模型，使用Nastran求解器重新校核上述兩個(gè)工況，50KN 的橫向工況最大應(yīng)力為278MPa，1KN 的壓縮工況最大應(yīng)力為66MPa，兩個(gè)工況的最大應(yīng)力都處在安裝底座與筋板交界處。均低于355鋼允許的最小屈服強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。圖5 給出了50KN 橫向最大靜態(tài)力工況的應(yīng)力云圖。

                                                          圖6 應(yīng)力結(jié)果云圖

5結(jié)論

      本文根據(jù)低地板車輛上鉸接安裝座受力與安裝情況建立拓?fù)鋬?yōu)化模型，并最終設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)要求的鑄鋼安裝座。