[發(fā)明專利]一種高速列車外風擋結構的優(yōu)化方法及外風擋結構

在審

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• 申請日: 2020-08-18
• 公開（公告）號: CN111985052A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設計）人: 熊小慧;梁習鋒;劉堂紅;余以正;鐘睦;唐明贊;朱亮
• 申請（專利權）人: 中南大學;中車長春軌道客車股份有限公司
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F119/02;G06F119/10
• 代理公司: 長沙朕揚知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 周孝湖

本發(fā)明公開了一種高速列車外風擋結構的優(yōu)化方法及外風擋結構，優(yōu)化方法包括：根據(jù)原有外風擋結構斷面幾何外形尺寸定義外風擋結構設計空間；對設計區(qū)域進行拓撲優(yōu)化設計，得拓撲優(yōu)化設計結果；將拓撲優(yōu)化設計結果進行幾何重構及修改，得拓撲優(yōu)化的外風擋結構斷面；將拓撲優(yōu)化的外風擋結構斷面與原有外風擋結構斷面比較驗證，若外風擋結構斷面滿足輕量化設計要求，則完成優(yōu)化；若不滿足輕量化設計要求，則返回幾何重構及修改步驟進行迭代設計和比較驗證。該優(yōu)化方法及外風擋結構在不增加原結構質量的情況下，提高了外風擋結構的橫向剛度，使安裝后的外風擋結構減阻效果更好、橫向抗變形能力提高，且滿足外風擋結構輕量化設計需求。

技術領域

本發(fā)明涉及高速列車外風擋結構設計技術領域，具體而言，涉及一種高速列車外風擋結構的優(yōu)化方法及外風擋結構。

背景技術

高速列車是指最高運行時速不低于250千米的旅客列車，外風擋結構作為高速列車重要組成部件，安裝于兩車廂端部連接處，使得車體表面光順平滑，為高速列車減阻降噪發(fā)揮了重要的作用。并且，橡膠外風擋具有較好的柔性變形能力，當列車通過曲線時，外風擋通過擠壓變形為列車通過曲線時提供兩車車廂之間位移量，列車直線行駛時外風擋回彈繼續(xù)發(fā)揮減阻降噪的作用。

隨著列車運行速度的提高，外風擋受列車空氣動力作用更為劇烈。在列車高速運行時，氣動載荷作用下橡膠外風擋結構產(chǎn)生橫向變形，而當氣動載荷的激勵頻率接近結構固有頻率時容易引起共振現(xiàn)象，加劇結構的振動。在已有研究中，動車組橡膠外風擋結構在使用的過程中存在氣動響應問題，當列車運行速度到達200km/h以上時，橡膠外風擋出現(xiàn)沿垂直車體表面方向的外翻，嚴重時的外翻程度與車體表面呈現(xiàn)45°的夾角，由于橡膠結構外風擋不斷的外翻屈撓，甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。并且，外風擋安裝在靠近車體外表面的車端位置，外風擋的變形振動反過來又影響列車車端周圍流場運動，從而改變氣動載荷的分布和大小，將導致車廂端部連接處的氣動力分布不均勻，嚴重影響列車行車穩(wěn)定性。同時，外風擋的變形振動對于結構的疲勞壽命同樣產(chǎn)生危害。

在現(xiàn)有的技術中，雖采取了一些技術手段或提出了部分改進方案來增強外風擋的橫向剛度，使得外風擋在氣動載荷作用下產(chǎn)生的變形量減小。但這些改進措施對外風擋抗橫向變形能力的提高效果不明顯，并且在對外風擋進行補強的過程中均增加的原有結構的重量，且結構裝配復雜。原外風擋裝配時，相對的車端外風擋頂部橡膠圓弧之間存在凹陷，該凹陷的存在導致空氣流過此處產(chǎn)生旋渦，對于外風擋氣動減阻和降噪的效果減弱。

發(fā)明內容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種高速列車外風擋結構的優(yōu)化方法及外風擋結構，該優(yōu)化方法及外風擋結構在不增加原結構質量的情況下，提高外風擋結構的橫向剛度，使安裝后的外風擋結構減阻效果更好且橫向抗變形能力提高，提高外風擋的使用可靠性，并且滿足高速列車外風擋結構輕量化設計方向。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高速列車外風擋結構的優(yōu)化方法，包括以下步驟：

根據(jù)原有外風擋結構斷面的幾何外形尺寸，定義外風擋結構的設計空間，設計空間包括非設計區(qū)域和設計區(qū)域，非設計區(qū)域為從原有外風擋結構的斷面外輪廓向內一定厚度的區(qū)域，設計區(qū)域為原有外風擋結構的斷面非設計區(qū)域以內的區(qū)域；

對設計區(qū)域進行拓撲優(yōu)化設計，得到拓撲優(yōu)化設計結果；拓撲優(yōu)化設計的目標包括提高原有外風擋結構的橫向剛度、提高原有外風擋結構的一階彎曲固有頻率、減輕原有外風擋結構的質量以及保證原有外風擋結構斷面的幾何外輪廓不改變；

將拓撲優(yōu)化設計結果進行幾何重構及修改，得到拓撲優(yōu)化的外風擋結構斷面；

將拓撲優(yōu)化的外風擋結構斷面與原有外風擋結構斷面進行比較驗證，若拓撲優(yōu)化的外風擋結構斷面滿足輕量化設計要求，則完成外風擋結構的優(yōu)化；若拓撲優(yōu)化的外風擋結構斷面不滿足輕量化設計要求，則返回幾何重構及修改步驟進行迭代設計和比較驗證。