铁路车辆结构多层面优化设计的研究及其典型应用.pdf文档全文免费阅...
王超 侯鹏
[摘 要]我国的经济如今正处于一个飞速发展的时期，在这个背景之下，我国铁路运输也朝着重载化和高速的方向发展，在这种情况下，我国的铁道车辆行业得到了前所未有的发展的机遇以及所带来的挑战，对于车辆的结构多层面设计的要求越来越严苛，虽然我国的铁路车辆在设计的过程中，借鉴了其他外国的一些领先的技术，同时也采用了一些我国之前积累下来的许多比较成熟的技术，但是我国的铁路车辆结构与外国相比仍然存在着很大的不足，所以本篇文章主要阐述的便是铁路车辆结构多层面优化设计研究以及典型运用。
[关键词]铁路车辆 结构多层面优化设计 典型运用
中图分类号：U231.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）27-0290-01
铁路的修建在很大程度上促进了我国经济的发展，甚至可以说，铁路是国民经济的动脉，只有建设好铁路，我国的经济和人们的生活水平才能在本质上有很大的提升，铁路车辆在铁路运输中是直接载运乘客和货物的出行手段，所以我们必须建设，品种齐全，数量足够，以及质量优异的各种铁路车辆，因此在本篇文章中首先介绍了我国铁路车辆的发展现状，之后又对车辆结构多层面优化设计进行了阐述，最后还介绍了铁路车辆的典型应用。
一、我国铁路车辆发展的现状
近几年，我国铁路车辆行业已经取得了前所未有的发展机遇。2006年10月26日，铁路“十一五”规划正式发布，规划提出，未来五年中国将加快铁路基础设施建设，改善道路网交通的能力，同时提高铁路的自主创新能力，加快铁路设备的现代化技术。铁路是一个重要的现代化的象征，要想加快铁路现代化建设，铁道部提出了使用“先进、成熟、经济、适用、可靠”的技术政策和实施“标准化、系列化、模块化、信息化”的要求，确定立足点定位系统，引进先进技术，促进自主创新，加快现代化提，同时也对高速的铁路的升级提出了具体要求：（1）研究和开发的200多公里每小时的关键技术的基础上，结合少量的动车的引进，争取实现超过每小时200公里，积极推动300公里/小时以上驱动铁路关键技术的形成和发展，形成高速铁路国内生产设施的制造、维护和运行系统。在2010年，客车分配大约有1000列。（2）开发满足不同乘客水平需求和不同应用条件的新型客车。2010年，乘用车的拥有率达到50000辆，提高客车整体技术水平。除此之外我们将提高卡车速度，卡车载重以及安全性、可靠性放在首位，积极开发23吨轮轴卡车和一种最高时速120公里的新型通用货车。为了不同的应用，我们开发一辆160km/h的卡车，还要积极发展煤炭运输、集装箱运输、特种货物运输等特殊运输工具。到2010可以看出，卡车已经达到700000辆汽车，无论从国外铁路的大发展趋势，或从的角度来看-国家“十一五”计划的发展规划，铁路将进入一个新的发展阶段，在这种情况下铁路必须有更好更新的铁路。
二、优化结构算法
2.1修正可行方向法（MMFD）
修正的可行方向法是可行方向法的改进，是求解约束优化问题的直接数值优化方法。改进的可行方向法克服了不能处理含有等式约束的优化问题的可行方向法的缺点，可以处理包含等式约束和不等式约束的非线性优化问题。该方法继承了可行方向法的优点，能快速获得最优解，效率高，同时对问题具有较好的适应性，满足所有约束条件都是非常准确的。改进的可行方向法的优化过程的过程中，如果没有约束作用或冲突，我们利用变量梯度法的无约束优化方法来确定迭代的搜索方向，其他的情况则用修改的可行方向进行优化迭代。
2.2可行方向法（MFD）
可行方向法是一种直接的数值优化方法来解决约束优化问题，它可以直接设计非线性空间的搜索，其基本思想是：在约束区域，根据设计空间的设计要点，“地势”信息的位置，不断寻求目标函数值的方向，为了探索和优化设计点。算法的关键步骤是选择搜索方向，并确定沿该方向移动的步骤，该方法的一个重要优点是它可以同时处理各种约束优化问题的特点，对问题具有较好的适应性，满足所有的约束条件都是非常准确的。可行方向法的另一个优点是，它可以降低目标函数的值，同时保持理解的可行性。得到的解决方案始终在可行域内，搜索效率高，可行方向法的缺点是它不能处理包含等式约束的优化问题。
2.3序列线性规划法（SLP）
序列线性规划方法是一种约束优化问题的求解方法，其基本思想是：首先，将初始设计点的目标函数和约束条件除一级泰勒级数展开，将原问题转化为线性规划问题。然后用线性规划问题的解来解决问题，得到新的设计点x，总的来说，这个新的设计点X更接近原始问题的最优解，而不是原来的设计点Xo。迭代的下一个步骤，在X '与一阶泰勒级数展开的初始问题，一直重复，近似非线性规划问题用线性规划来进行解决，每一次迭代得到新的设计点比之前的设计点更接近于原始问题的最优解。最后，对线性规划问题的最优解近似逼近最优解。
三、应用和优化实验设计
3.1应用-焊接构架结构
焊接框架结构由两个箱体和两根梁组成。在这个结构中我们一般采用两系悬挂，一个是圆形弹簧，另一个是空气弹簧，在侧梁两端有一个轴箱弹簧座。两根梁采用纵向梁、制动架和牵引座焊接。侧梁安装有阻力。蛇银行减震器库，框架有限元模型采用4个节点和其他壳元模型，节点64877个，单元66514个。转向架是臂式轴箱的定位结构。考虑了转向架的实际约束条件和试验有限元分析的相似性计算，这种计算使用刚性单元、弹簧单元和有限元模型施加约束，位移的耦合刚性模拟刚度弹簧元件被用来模拟定位块橡胶接头刚度的三个方向，加上位移保证臂可以定位在旋转轴。
3.2试验设计的优化
实验设计DOE方法是一种用于研究设计参数对模型设计情况的影响的采样策略，并确定构造近似模型所需的样本点个数和这些点的空间分布。在试验设计中，评价指标的量称为因子，实验因子的状态称为水平（1evels）。目前，计算机仿真实验设计方法主要包括全因子法、正交矩阵法、中心复合法、拉丁叠加法、均匀设计等。
3.3正交实验设计
正交阵列- OA是正交试验设计的内涵。正交表具有简洁的可比性（即，每一个词都有机会完全相等）和平衡色散（在搭配的任意两列之间的横向组合），基于正交表的实验的特点是整倍的水平平方，根据正交矩阵的正交性，从综合实验中选取的部分，通过正交实验得出的结论，在整个实验的范围內，得到了较好的重现性。
四、总结
在本篇文章中我首先分析了我国铁路车辆发展的现状，其次又介绍了优化结构算法即修正可行方向法（MMFD）、可行方向法（MFD）以及序列线性规划法（SLP），最后我还阐述了应用和优化实验设计，即应用-焊接构架结构、试验设计的优化以及正交实验设计。
参考文献：
[1] “十三五”国家战略性新兴产业发展规划（全文）.中国战略新兴产业2017（01）
[2] 曾渝.轨道交通站点核心影响域空间安全与城市设计策略[J].京重庆大学.2016（05）
