[發(fā)明專利]一種結(jié)合仿生設(shè)計的齒軌動車地板輕量化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110903534.5
• 申請日: 2021-08-06
• 公開（公告）號: CN113361020B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尹湘云;陳瑞文;殷勤;殷國富
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23
• 代理公司: 成都環(huán)泰專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 51242
• 代理人: 李斌;李輝

本發(fā)明公開了一種結(jié)合仿生設(shè)計的齒軌動車地板輕量化設(shè)計方法，包括：分析地板的受載工況，選取極端邊界條件；定義設(shè)計區(qū)域；設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)為應(yīng)變能最小且一階垂彎固有頻率最大；進(jìn)行計算并得到拓?fù)錁?gòu)型；根據(jù)拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行仿生設(shè)計而得到若干個仿生地板結(jié)構(gòu)；將每個仿生地板結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)化，分析各尺寸對地板關(guān)鍵指標(biāo)的敏感度，并設(shè)定所述敏感度最高的多個尺寸參數(shù)作為優(yōu)化變量，構(gòu)建響應(yīng)面；設(shè)定尺寸優(yōu)化的目標(biāo)為質(zhì)量最小、最大等效應(yīng)力最小、最大垂向位移最小和一階垂彎固有頻率最大，進(jìn)行多目標(biāo)響應(yīng)面尺寸優(yōu)化，得到地板優(yōu)化結(jié)構(gòu)；將地板優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、篩選。本發(fā)明在實現(xiàn)地板綜合性能的提升的基礎(chǔ)上，能夠提供多種優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種結(jié)合仿生設(shè)計的齒軌動車地板輕量化設(shè)計方法。

背景技術(shù)

隨著世界軌道交通裝備的快速發(fā)展、以及交通運輸和旅游產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，大力發(fā)展齒軌軌道交通項目符合當(dāng)前國家重大應(yīng)用需求，而齒軌車輛車體的輕量化是實現(xiàn)齒軌車輛具有較強(qiáng)爬坡能力和舒適性等特性的關(guān)鍵因素之一。齒軌車輛是應(yīng)用于山地景區(qū)旅游觀光或煤礦井下輔助設(shè)備運輸場景的一類列車，其構(gòu)造與傳統(tǒng)列車的區(qū)別在于機(jī)車的轉(zhuǎn)向架上裝備有齒輪裝置，齒輪裝置與在鐵軌之間鋪設(shè)的齒條軌道嚙合。在國外，齒軌動車技術(shù)已廣泛應(yīng)用于近30個國家；在國內(nèi)，目前尚無運營的齒軌鐵路，齒軌相關(guān)研究正處于起步階段。目前齒軌車輛存在購置、維護(hù)成本高以及運行速度偏低等問題，而對齒軌車輛展開輕量化研究是解決這些問題的有效途徑。在齒軌車輛車體中，地板是車體中的關(guān)鍵部件。一方面地板需要承載乘客、貨物以及車下吊裝設(shè)備，另一方面地板傳遞的振動對乘坐舒適性影響極大。因此，在保證齒軌動車的可靠性與舒適性的前提下，對車體地板進(jìn)行輕量化研究是非常必要的。

目前齒軌車輛的地板采用大型中空截面擠壓鋁型材，材料一般選用6005A-T6鋁合金，其簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示，地板由上蓋板1、下蓋板2、左蓋板3、右蓋板4和加強(qiáng)筋5組成，地板在縱向具有相同的截面構(gòu)型。針對此種中空擠壓鋁型材地板結(jié)構(gòu)的輕量化方法目前主要有拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化，通過拓?fù)鋬?yōu)化確定結(jié)構(gòu)最佳傳力路徑材料分布，再基于拓?fù)錁?gòu)型重構(gòu)模型得到地板輕量化結(jié)構(gòu)。尺寸優(yōu)化，將地板的上蓋板1、下蓋板2和加強(qiáng)筋5的厚度等尺寸參數(shù)作為設(shè)計變量，通過優(yōu)化得到地板的最佳尺寸參數(shù)，最后基于優(yōu)化后的尺寸參數(shù)重構(gòu)模型得到地板輕量化結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有地板輕量化研究或是采用拓?fù)鋬?yōu)化，或是采用尺寸優(yōu)化，或是采用兩者方法結(jié)合以實現(xiàn)輕量化效果。但是一兩種優(yōu)化存在一定的局限性，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量雖然提升，但其強(qiáng)度、剛度等性能有所下降，難以實現(xiàn)地板綜合性能的提升。例如，綜合性能包括地板的強(qiáng)度、剛度、輕量化和抗振性。此外，現(xiàn)有研究對地板進(jìn)行優(yōu)化后而提煉出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)只有一種，無法提供多種優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案的選擇。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種結(jié)合仿生設(shè)計的齒軌動車地板輕量化設(shè)計方法，在實現(xiàn)地板綜合性能的提升的基礎(chǔ)上，能夠提供多種優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種結(jié)合仿生設(shè)計的齒軌動車地板輕量化設(shè)計方法，包括以下步驟：分析地板的受載工況，選取極端工況作為拓?fù)鋬?yōu)化的邊界條件；定義地板拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計區(qū)域與非設(shè)計區(qū)域；設(shè)置所述拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)為應(yīng)變能最小且一階垂彎固有頻率最大，添加沿縱向擠壓制造約束，約束所述設(shè)計區(qū)域的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；完成參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計算，得到拓?fù)錁?gòu)型；根據(jù)所述拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行仿生設(shè)計而得到若干個仿生地板結(jié)構(gòu)；將每個所述仿生地板結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)化，分析各尺寸對地板質(zhì)量、最大等效應(yīng)力、最大垂向位移和一階垂彎固有頻率的敏感度，并設(shè)定所述敏感度最高的多個尺寸參數(shù)作為優(yōu)化變量，構(gòu)建響應(yīng)面；設(shè)定尺寸優(yōu)化的目標(biāo)為質(zhì)量最小、最大等效應(yīng)力最小、最大垂向位移最小和一階垂彎固有頻率最大，進(jìn)行多目標(biāo)響應(yīng)面尺寸優(yōu)化，得到地板優(yōu)化結(jié)構(gòu)；將所述地板優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、篩選。