跨座式单轨车辆转向架构架结构优化设计_杜子学

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1、跨座式单轨车辆转向架构架结构优化设计杜子学等研究与探讨跨座式单轨车辆转向架构架结构优化设计杜子学：重庆交通大学机电与汽车工程学院，教授，重庆，400074桑文波：重庆交通大学机电与汽车工程学院，硕士研究生，重庆，400074摘要：转向架作为跨座式单轨车辆的关键部件之一，其结构性能好坏直接影响车辆的运行安全。基于HyperWorks/Optistruct平台并结合拓扑优化技术，对跨座式单轨车辆转向架进行结构改进和拓扑优化设计。优化结果显示，在满足其工作性能的条件下减少构架用材并提高结构刚度，为体的垂向力、横向力和

2、纵向力。作为跨座式单轨车辆最构架后续的详细设计提供参考。关键部件之一的转向架，其性能好坏直接关系到整个车关键词：跨座式单轨车辆；转向架；构辆的运行安全性、走行平稳性和乘坐舒适性，同时又要架；拓扑优化求其结构简单，制造容易和维护方便。基于Optistruct拓扑优化技术，建立用于拓扑优化的转向架有限元模型，结合跨座式单轨车辆自身运行特点，给转向架施加3种工况下的载荷进行拓扑优化设计。1优化设计理论基础座式单轨交通作为一种交通方式，具有技术先目前结构优化设计包括尺寸优化、形状优化和拓跨进、成熟可靠、造价较低、建设周

3、期短的优点，扑优化等内容，其中前2种技术已经成熟应用于航空航[1]是一种很有发展前景的城市轨道交通系统。城市轨道天、汽车等领域；拓扑优化技术仍处于发展阶段，因其交通系统的技术发展很大程度上取决于车辆技术的发能从根本上改变结构的拓扑关系，真正实现结构优化设展，转向架是车辆的重要组成部分，是转向架形式走行计，特别适合于产品研发初期，因此结构拓扑优化技术部的骨架，是各零部件的安装基础，承受和传递来自车在现阶段更受到广泛关注。基金项目：国家科技支撑计划项目（2007BAG06B01）。CHINESERAILWAYS20

4、13/03-69-研究与探讨跨座式单轨车辆转向架构架结构优化设计杜子学等拓扑优化设计是在给定材料品质和设计区域内，通优化区域过结构优化方法，得到既满足约束条件又使目标函数最非优化区域[2]优的结构布局形式及构件尺寸。拓扑优化设计目标函数一般是结构应变能最小，约束条件一般为体积和结构[3]齿轮箱座的平衡，优化数学模型如下：TminC=FDs.t.f=（V-V1）/V0（1）Xmin≤xi≤Xmax安全轮安装支座稳定轮安装支座F=KD。导向轮安装支座式中：C为结构应变能；F为结构外载荷矢量；V为结构图1用于优化的转

5、向架构架CAD模型充满材料的体积；V0为结构设计域的体积；V1为单元密232度小于Xmin的材料体积；f为剩余材料的百分比；xi为单1元设计变量；K为结构刚度矩阵；Xmin为单元密度下限；Xmax为单元密度上限。2转向架构架结构改进及设计空间确定3[4]转向架牵引电机悬挂方式大体分为3类：轴悬、1架悬和体悬。目前，跨座式单轨转向架每根轴由1台独立的牵引电机通过减速器加以驱动，2台电机与减速器呈斜对称安装在构架稳定轮支架外侧，电机轴与减速器输入轴通过联轴器连接，输出轴与电机驱动轴垂直。将图2用于优化的转向架构架网

6、格模型33牵引电机悬挂于车体底架上（体悬方式），电机采用体（2）密度：7.9×10kg/m；悬主要目的是减轻转向架构架质量，实现高蛇形稳定临（3）屈服极限：396MPa；[4]界速度。牵引电机与走行轮之间需要通过万向轴和联（4）强度极限：566MPa；轴器传递力矩。体悬方式有利于列车整体运行速度的提（5）许用应力：340MPa。高，还有利于牵引电机的可靠性和可维护性。3.2载荷和约束转向架构架结构改进的思路：将安装于稳定轮支根据跨座式单轨车辆的运行特点，选取具有代表架一侧的牵引电机支座去除，同时将齿轮箱座改为4

7、个性的满载静止工况、转弯制动工况和转弯牵引工况3种（目前2个），实现构架关于中心完全对称。用于拓扑情况下的构架受力为研究对象，具体载荷和约束情况优化的转向架构架CAD模型见图1，与原转向架构架相见表1。表1用于计算的3种工况载荷及约束比，驱动轴由原来的半轴驱动形式改为通轴驱动形式。最终确定构架的优化区域和非优化区域，并对转向架构工况载荷约束架整体进行网格划分（见图2）。工况1：满载位置1（见图2）施加垂直载荷；齿轮箱座处施加x、y、z方向静止工况稳定轮、导向轮处施加预压力的约束，约束其6个自由度3建立拓扑优化模

8、型位置1（见图2）施加垂直载荷；工况2：转弯稳定轮、导向轮处施加预压力；齿轮箱座处施加x、y、z方向3.1转向架构架材料制动工况位置2（见图2）施加侧向力；的约束，约束其6个自由度位置3（见图2）施加惯性力跨座式单轨转向架构架的材料为16MnR，具体材料位置1（见图2）施加垂直载荷；工况3：转弯稳定轮、导向轮处施加预压力；齿轮箱座处施加x、y、z方向参数为：牵引工况位置2（见图2）施加