基于拓扑优化的动车组排障器优化设计
赵振飞 陈贝 杨冰冰 张东 王忠平 高中晔
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111
摘要
本文基于刚性机构拓扑优化方法对某型动车组排障器进行优化设计，在多工况环境下，采用optistruct的拓扑优化模块，基于变密度法，以体积作为约束，应变能最小作为优化目标，得到排障器的最佳拓扑构型，设计新的排障器的肋板分布及肋板的形状，并与初始结构对比，最大应力下降 15.9%，同时体积减少11.6%，在一定程度上可以减轻排障器的重量并能显著减小最大应力，提高承载能力。
关键词
拓扑优化，刚性结构，排障器，optistruct，肋板
1 引言
动车组运行时速一般在300km/h以上，运行速度高，因此对安全性能要求高。列车高速运行过程中，轨道上的任何障碍物均都可能损伤列车，引发安事故[1]。姜翠香等分析了引进的200km／h动车组前头排障装置结构的，该排障装置具有结构设计合理，维修方便，排障能力强等特点[2]。陶长焱等以某货运列车用排障器为研究对象，运用有限元方法对排障器进行静动态分析，找出失效原因，并对其结构进行改进设计[3]。针对排障器的优化及强度分析很多，但采用拓扑优化方法设计研究较少，本文基于刚性机构拓扑优化方法对某型动车组排障器进行优化设计，以拓扑构型为基础结合实际工程应用，设计新的排障器的肋板分布及肋板的形状。
2 排障器拓扑优化设计区域模型近似
2.1 拓扑优化设计区域有限元模型
动车组的排障器肋板厚度10mm。优化过程中排障板和支撑板不参与计算，将排障器加强肋板与支撑板边界填充，形成一个连续的空间代替原先的离散空间，作为拓扑优化的设计区域。
图1排障器拓扑优化有限元模型
2.2 加载工况
依据标准，纵向压缩静载荷施加位置如图 1 所示绿色节点的位置，排障器后部的固定约束施加在红色节点。本文的优化基于这两种工况联合作用，载荷力被平均分配到相应区域的节点上。
3 排障器拓扑优化
3.1拓扑优化设计方法
变密度法以单元或节点密度为设计变量，以0和1表示某单元区域有无材料，相比其它建模方法形式简单，易于推导，设计变量少，应用也最为广泛。Bendsøe 提出了各向同性材料惩罚模型（SIMP），把材料分布问题材料密度与形状优化和弹性模量联系起来[4]。
3.2排障器拓扑优化结果分析
将排障器的拓扑优化初始模型导入optistruct模块，经过14次迭代运算，最终目标函数收敛于0.02，如图3（左）所示。最终拓扑优化结果如图3（右）所示。
图2排障器拓扑优化收敛曲线（左）及拓扑优化结果（右）
拓扑优化结果与工程实际加工情况相差较大，无法直接使用，因此需要以肋板替代拓扑优化不规则的几何形状。
3.3 排障器拓扑结构肋板化
综合考虑加工工艺性等因素，结合拓扑优化结果，对排障器加强肋板进行优化布局，得到优化后的结构，并建立有限元模型如图4所示。
图3排障器拓扑结构肋板化有限元模型
4 优化前后静力学对比
为验证优化结果是否优于原结构，使肋板厚度与原排障器保持相同，并对优化后的结构进行静力学分析，施加与拓扑优化相同的边界条件（位移约束、力约束等）。
图4排障器优化结果静力学
静力学分析结果显示，经拓扑优化后的排障器最大应力减少15.9%，同时体积减少11.6%，此结果只针对本文施加的边界条件，即相同的固定约束及所受外力。需要注意的是，改变边界条件优化结果也会不同，施加优化时施加的边界条件时性能提升最大，而其他受力情况可能并非最优。
5 结论
本文针对某型动车组排障器进行优化设计，提出了基于刚性结构拓扑优化的排障器的设计方法。优化结果表明：与初始结构对比，最大应力下降 15.9%，同时体积减少11.6%，新型排障器的结构在一定程度上可以减轻排障器的重量并能显著降低最大应力，提高承载能力，得到分布更为合理的肋板。为某型动车组排障器的设计提供了一种新的设计思路。
参考文献
李娅娜, 何本政, 谢素明. 动车组排障器结构非线性强度计算和试验验证[J]. 机械设计与制造, 2017, 000(004):18-20,25.
姜翠香. Structure analysis of cowcatcher on 200 km/h EMU%200 km/h动车组前头排障装置结构分析[J]. 电力机车与城轨车辆, 2008, 031(004):21-23.
陶长焱, 李文泰, 米承继,等. 列车用排障器静动态特性分析及结构改进[J]. 现代机械, 2018, No.206(04):54-57.
M. P. Bendsøe. Optimal shape design as a material distribution problem[J]. Structural Optimization, 1989, 1(4):193-202.
