[發明專利]一種基于協同優化算法的高速受電弓多學科設計方法

有效

• 申請號: 201910322437.X
• 申請日: 2019-04-22
• 公開（公告）號: CN110059415B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 張靜;程肥肥;楊尊富;張翰濤
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06T17/20;G06F119/14;G06F111/06
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 劉凱

本發明公開了一種基于協同優化算法的高速受電弓多學科設計方法，基于多學科設計理論，分析影響高速受電弓工作性能的設計因素，并對其進行學科分類設計；再對各學科設計參數進行數值分析，推導出各個學科設計目標的數學表達式，建立相應的優化設計模型；然后基于全局靈敏度法，分析各學科優化設計模型中設計變量的耦合關系和耦合強度；根據設計變量的耦合強度，確定系統級和學科級設計變量，采用多學科設計的協同優化算法求解各學科的優化模型中設計變量的優化值；根據設計變量的優化值，分析受電弓的優化結果，建立受電弓的三維實體模型。本發明改善受電弓的工作性能，提高弓網受流質量，為高速受電弓提供新的設計研究思路。

技術領域

本發明涉及高速鐵路弓網系統設計技術領域，具體為一種基于協同優化算法的高速受電弓多學科設計方法。

背景技術

高速受電弓基礎結構由下臂桿、上框架、拉桿、平衡桿、弓頭和底架六部分構成，是高速列車的關鍵設備，也是弓網系統的重要組成部分。在列車高速運行中，受電弓與接觸網一旦接觸不良，將直接影響弓網間的受流特性，進而降低列車的牽引供電性能，更加嚴重的是，如果受電弓的結構在運行中遭到破壞，不僅會中斷弓網受流，還將引起接觸網系統的破壞，直接影響高速列車運營的安全性。所以，鐵路高速化中，為提高列車運行的安全性，必須保證受電弓的工作性能，而高速受電弓的結構參數直接影響其工作性能的好壞。因而，為保證受電弓的可靠性和弓網受流質量的穩定性，對受電弓結構參數進行相應的研究是十分有必要的。

為提高受電弓的工作性能，國內外學者采用不同的優化算法，靈敏度法，控制算法等方法對受電弓展開了大量的研究。如Ambrosio等(Ambrosio J Pombo J,Pereira M F,etal.Optimization of high-speed railway pantographs for improving pantograph-catenary contact[J].Theoretical and Applied Mechanics Letters,2013,3(1).)采用全局最優化算法，并以接觸力標準差最小化為優化目標，對弓頭參數進行優化分析。周寧等(Zhou N,Zhang W.Investigation on dynamic performance and parameteroptimization design of pantograph and catenary system[J].Finite Elements inAnalysis and Design,2011,47(3):288-295.)采用靈敏度分析法，對受電弓的阻尼和剛度參數進行優化分析，結果表明，適當增大弓頭和上框架的阻尼值和減小剛度值，可有效提高弓網受流質量。宋洋等(Song Y,Ouyang H,Liu Z,et al.Active control of contactforce for high-speed railway pantograph-catenary based on multi-bodypantograph model[J].Mechanism and Machine Theory,2017:35-59.)基于受電弓多體模型，提出一種新的PD控制器，結果表明，增大比例增益和減小微分系數可提高受電弓的工作性能，得到穩定的弓網接觸力。但是，受電弓是一個結構比較復雜的機械裝置，在設計和優化過程時需要考慮諸多因素的影響。而大量研究僅針對受電弓的某個因素進行深入分析，很少探究這些因素之間的相互作用對受電弓設計優化的影響。

多學科設計優化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)是近年來美國等發達國家提出的一種新的設計方法，主要思想是針對復雜系統設計的整個過程，集成各學科(子系統)的知識，應用有效的設計優化策略和分布式計算網絡系統來組織和管理復雜系統的設計過程。其目的是通過充分利用各學科(子系統)之間的相互作用產生的協同效應，獲得整個系統的最優解或者工程滿意解。多學科設計優化追求的是全系統、全智能和全過程的最優，彌補了傳統設計方法的固有缺陷，并從系統總體設計高度，綜合考慮到各學科的耦合效應，充分利用各個學科發展的最新成果，取得系統的整體最優。

發明內容