高速动车组铝合金车体结构优化陈光洋

陈光洋程春欣吴磊

中车唐山机车车辆有限公司河北唐山063035

摘要：根据铝合金车体结构特点和工程需要，基于遗传算法研究了集截面、形状和拓扑优化于一身的优化方法。讨论了优化模型的确定、型材形状优化和筋板配置拓扑优化的思路。编制了应用软件,并完成工程实例,设计变量覆盖承载结构的70%,证实上述方法的有效性。

关键词：动车组；车体；结构优化；遗传算法

本文基于遗传算法，以重量最小为目标,各种板厚挤压型材断面形状、内筋设置方式为设计变量,并考虑了应力、位移和自振频率三种约束,建立了比较实用的优化模型。采用遗传算法作为优化方法,研究得到实用的适应度函数,确定型材断面形状优化和内筋拓扑优化的具体思路;编制了以有限元软件Marc系统为分析器的优化程序，并完成工程实例。

1动车结构优化的优点

车辆轻量化有降低牵引功率,提高运行性能、减小振动和噪音等诸多好处。因此,国际上高速列车大多采用轻质铝合金作为车体的结构材质。日前我国开发的200km/h级和300km/h级高速动车组车体结构均采用铝合金材质。铝合金车体结构与传统钢质车体骨架蒙皮的结构形式比较有很大不同。钢质车体在主体参数总体尺寸、载重等确定后结构设计要考虑的是梁柱的排放和截面与板厚的确定,梁柱位置的确定一-般依据设计师经验和设备安装情况。因此钢质车体优化设计的主要内容是确定梁柱截面和板材厚度,属比较成熟截面优化范畴，铝合金车体采用双层鼓形酮体结构,由挤压型材组焊而成。

2优化设计模型

车体结构优化设计的基本思想为在满足性能要求和安全条件的前提下,使结构重量最轻。铝合金车体结构的优化设计变量考虑板厚、上下面板间距(挤压型材厚度)和筋板配置三类。将结构的应力、位移和自振频率作为约束条件,使结构在满足强度、刚度和振动特性要求的基础上实现质量最轻。

对于这类大型工程结构的优化设计,有三个难点制约了其发展和应用:①铝合金车体结构优化设计变量包含了几个层次,分属俄面优化、形状优化和拓扑优化三个不同范畴，而且不同层次变量之间有较强的耦合性,若采用分步、分层优化必然带来较大误差而失去实际意义;②结构规模大,变量数多(工程设计中往往是离散型),优化计算效率低,收敛困难,甚至不收敛;

根据以上分析,铝合金车体优化设计采用遗传算法为基本的优化方法有三个优势:①它的特点是以决策变量的编码作为运算对象,能够满足多种变量同时优化的要求;②遗传算法能够不求导数不考，忠问题的凸性直接寻找全局最优解;③基本设计变量为离散值,适应车体结构工程设计特点，从而能够满足铝合金车体结构优化设计的需要。

3轻量化车体结构研究的必要性

高速动车组作为高速铁路系统的重大移动装备，其整体轻量化与整车性能的提升一直都是国内外高速铁路技术领域不断深入研究、探索和解决的重大课题日。由于高速列车涉及系统集成、铝合金车体、转向架、制动系统及内装结构等关键技术及重要配套技术，其中每一项技术及其对应的车辆系统的轻量化和性能提升，都对高速列车的整体轻量化与整车性能的提升产生重大的影响。轻量化技术无不与结构优化、材料创新和先进制造技术息息相关，突破和掌握高速列车关键技术系统的结构优化、性能提升、材料创新和先进制造技术，是突破和牢牢掌握高速动车组关键技术及重要配套技术的重要保证用。实现车体轻量化可以降低原材料消耗，降低车辆的制造成本;节省牵引动能，降低列车的运行费用;减少车辆对线路的冲击及减轻线路维护工作量;提高车辆的启动加速度及制动减速度，提高列车的运行速度及曲线通过速度。城际动车组除了要求定员载客量外，还要求大站立区载客量，而车辆轴重却要求低于干线动车组。所以，车体结构不但要具备干线动车组的强度、刚度，而且要求实现比干线动车组更大程度的轻量化。

4动车组轻量化车体结构

动车组为了适应大载客量、空重车变化大的需求，尽量降低铝合金车体的自重，从而提高整车的载客量;动车组主要从铝合金车体材料、铝型材断面、车体结构等几方面入手考虑车体的轻量化技术。

4.1车体材料

目前，适合于铁路车辆用的铝合金主要有Al-Mg-Si(6000系列，如6005，6005A，6082等)及Al-Zn-Mg(7000系列)两大系列。日本铝合金车体结构材料使用最多的是7N01(7005)合金。作为中等强度结构材料，它具有良好的挤压性能和焊接性能。7NO1型材用于端面梁、底座、槛、偶面构件骨架、车体枕粱、车端墙等。近几年日本开发了挤压性能、焊接性能和耐腐蚀性能更好的6N0I合金(即6005合金的日产化)生产的多孔复杂壁空心型材，广泛代替7NOI、7003型材作车体地、侧板和顶板结构。西欧铝合金车体大量采用Al-MgSi6005A挤压型材,其主要原因是6005A的挤压性能更好，生产来的复杂型材使车辆结构更合理，使用性能更优。车体断面要求其在满足满足功能要求及旅客舒适度的前提下尽量小巧。CRH3型动车组车体断面具有良好的气动外形，车内空间较宽敞，旅客舒适度较好，但断面型材设计过于笨重;CRH5型动车组车体断面侧墙收角较大，车内空间需要改进，但断面型材设计轻巧，内外蒙皮、内筋厚度较CRH3型动车组小，内筋分布较CRH3型动车组稀疏,对减重贡献很大。

4.2车体结构

车体结构形式包括普通中间车、带受电弓的中间车和带司机室的头车三种，中间车为基础车型，其基本结构由底架、侧墙、车顶、外端墙几大部件组成;头车由中间车演变而来，结构上仅以空气动力学端部结构取代了中间车的前端外端墙。车体主断面型材间的连接形式同CRH380BL型车，用插接或搭接形式。

5结语

动车组车体轻量化和大载客量设计，与CRH系列动车组车体平均自重相比，降低重量约8%左右，车体性能指标均满足相关标准的要求。不同运用需求的动车组将对车体结构提出不同的要求，可根据需求特征和实际情况对车体结构进行合理调整。但是，恰当地将材料和结构合理匹配，在简化结构的前提下最有效地分散应力并实现轻量化是城际动车组车体结构设计坚持的原则。

参考文献

[1]张卫华。高速列车顶层设计指标研究[J].成都:铁道学报，2012(09).

[2]权高峰，李瑞淳，张英波，轨道列车车体新材料轻量化应用效益研究[OL].中国科技论文在线，2012(01).

[3]铁路技术管理规程[M]，中国铁道出版社，2010(10).

[4]孙宝元,杨贵玉,李震.拓扑优化方法及其m型柔性结构设计中的应用[J].纳米技术与精密工和2003,1(1):2429.