樊訓(xùn)光，馬思群，孫彥彬，劉永行

（大連交通大學(xué) 機車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連116028）

0 引言

在鐵路運輸中，貨物運輸是其主要構(gòu)成部分。鐵路貨車是載運貨物的重要設(shè)備，可輸送各類重型貨物、各類物資等。近年來，由于國家經(jīng)濟的增長，對貨車的需求越來越大，如何確保在貨車安全運行的條件下，最大限度地減少鐵路貨車的生產(chǎn)制造成本就變得特別重要。鐵路貨車沖擊座是車輛運行時不可或缺的零件，然而在應(yīng)用中材料卻沒有得到充分利用，所以對沖擊座進(jìn)行輕量化設(shè)計就顯得尤為重要。所以在設(shè)計鐵路貨車沖擊座結(jié)構(gòu)時要在滿足性能要求的條件下，盡量使材料得到充分利用，降低制造成本。通過拓?fù)鋬?yōu)化方法可以在指定的優(yōu)化空間內(nèi)找到傳力途徑或者最合理的材料分布，以保證在符合各種性能的前提下，獲得結(jié)構(gòu)最佳的設(shè)計[1]。

1 沖擊座有限元模型及強度分析

1.1 有限元模型的建立

本研究的某型沖擊座由鑄鋼加工而成，自重47.8 kg。通過SolidWorks軟件對沖擊座進(jìn)行三維實體建模，采用HyperMesh有限元分析軟件創(chuàng)建沖擊座有限元模型，沖擊座幾何及有限元模型如圖1所示。

圖1 沖擊座幾何及有限元模型

該有限元模型采用大小為10 mm的六面體網(wǎng)格劃分，共劃分8670個單元，13784個節(jié)點。材料Q450鋼，屈服強度2.06×105 MPa，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3。鐵路貨車沖擊座裝配在底架梁端的中間部位，首先要確保車鉤緩沖裝置正常使用的空間；其次在車鉤遭受很大的沖擊力時，沖擊座觸碰到鉤肩，能夠增加端梁強度然后將一些沖擊力傳送給車輛的底架，防止由于力太大而導(dǎo)致破壞。

1.2 沖擊座計算工況及靜強度分析

根據(jù)《TB/T 1335-1996鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》的規(guī)定，并考慮鐵路貨車實際運行時的環(huán)境，對鐵路貨車沖擊座進(jìn)行靜強度分析。根據(jù)沖擊座的位置，確定了兩個工況下的約束及沖擊載荷。兩個工況下的約束相同，在六個螺栓孔施加六個方向全約束，在沖擊座背面施加X方向的約束。考慮到車鉤鉤肩與沖擊座作用時，車鉤應(yīng)有部分縱向沖擊力傳給后從板座，故設(shè)定工況1和工況2是分別以1250 kN和980 kN的均布力作用在沖擊座上端的中間位置。根據(jù)兩種計算工況采用HyperMesh軟件下的Optistruct求解器對沖擊座進(jìn)行靜強度計算。計算結(jié)果表明，第一工況和第二工況下鐵路貨車沖擊座的最大應(yīng)力值分別為271.6 MPa和169 MPa，兩種工況下的沖擊座的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 第一工況和第二工況下的應(yīng)力云圖

根據(jù)第四強度理論對沖擊座結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，鐵路貨車沖擊座結(jié)構(gòu)所用材料為Q450鋼，其屈服強度為450 MPa，安全系數(shù)為1.3，所以，許用強度為346.2 MPa。由計算結(jié)果可得，沖擊座兩種工況下的最大應(yīng)力均小于346.2 MPa，沖擊座強度符合標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)計算結(jié)果能夠看出，沖擊座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在兩種工況下分布過于集中，應(yīng)力主要分布在沖擊座上端的中部位置，此外沖擊座出現(xiàn)的最大應(yīng)力位置為同一部位，而沖擊座的其他部位應(yīng)力相對比較小，材料并沒有得到最大限度的利用。

2 沖擊座拓?fù)鋬?yōu)化及改進(jìn)設(shè)計

2.1 沖擊座拓?fù)鋬?yōu)化分析及改進(jìn)

拓?fù)鋬?yōu)化的根本思路是把設(shè)計部位分為有限單元，利用給定的算法去掉無用的部位，以便于變?yōu)閹Э椎倪B續(xù)體，達(dá)到完成連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)。SIMP密度法定義材料的相對密度與彈性模量符合某種函數(shù)關(guān)系，利用引入懲罰因子束縛抑制位于0～1之間的中間密度值，讓中間密度值最大程度上靠近0或1，將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題變?yōu)樽詈侠淼牟牧戏植紗栴}[2-3]。SIMP密度法[4]用公式表示如下

式中：E（xi）為懲罰后的材料的彈性模量；Emin為可去掉部分材料的彈性模量；E0為不可去掉部分材料的彈性模量；xi為第i個單元的相對密度（0≤xi≤1），p為懲罰因子。

根據(jù)沖擊座結(jié)構(gòu)的靜強度分析結(jié)果，并考慮沖擊座實際運行環(huán)境以及與端梁的裝配關(guān)系，選取了沖擊座的上端區(qū)域作為拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域。通過利用SIMP密度法，對沖擊座結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化的參數(shù)設(shè)置條件：設(shè)計變量為優(yōu)化區(qū)域的單元密度；約束條件為等效應(yīng)力小于材料的屈服強度；目標(biāo)函數(shù)為體積最小化。由拓?fù)鋬?yōu)化的迭代曲線可知，目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值整體呈下降趨勢，優(yōu)化在第15次時停止迭代。優(yōu)化計算結(jié)果表明，本次拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果收斂，沖擊座拓?fù)鋬?yōu)化迭代曲線如圖3所示。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化迭代曲線

優(yōu)化結(jié)果顯示模型中密度值大于0.4的部分，由拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果可以得出，優(yōu)化區(qū)域經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后比原優(yōu)化區(qū)域材料去除明顯，優(yōu)化效果可觀。根據(jù)沖擊座結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，考慮到制造工藝以及沖擊座與其他零部件的裝配，再結(jié)合沖擊座的實際運行環(huán)境，對沖擊座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，沖擊座拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及改進(jìn)后模型如圖4所示。

圖4 沖擊座拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及改進(jìn)后幾何模型

2.2 改進(jìn)后的沖擊座靜強度及剛度校核

對改進(jìn)后的沖擊座幾何模型進(jìn)行靜強度分析以及剛度的校核，經(jīng)過計算得到兩種工況下的應(yīng)力云圖如圖5所示。由計算結(jié)果可知，第一工況下沖擊座的最大應(yīng)力值為321.3 MPa，第二工況下沖擊座的最大應(yīng)力值為199.9 MPa。

圖5 改進(jìn)后第一工況和第二工況下應(yīng)力云圖

結(jié)果表明，沖擊座沖擊座在兩種工況下發(fā)生最大應(yīng)力的位置相同。改進(jìn)后的兩種工況下的最大應(yīng)力均小于346.2 MPa，沖擊座強度符合標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)后的最大應(yīng)力更接近材料的屈服強度，對材料的利用更好。優(yōu)化后的有限元模型質(zhì)量為43.5 kg，比原沖擊座結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減少4.3 kg，減少了9.0%，減重效果明顯。

3 結(jié)語

通過對沖擊座進(jìn)行三維建模，創(chuàng)建沖擊座有限元模型并對某型鐵路貨車沖擊座進(jìn)行了靜強度分析，得出了兩種工況下的最大應(yīng)力均小于346.2 MPa，沖擊座強度符合標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)靜強度分析結(jié)果，對沖擊座進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。按照拓?fù)鋬?yōu)化計算得到的結(jié)果，結(jié)合實際安裝以及制造工藝等要素，對沖擊座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，并對改進(jìn)后的沖擊座結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強度計算，結(jié)果表明改進(jìn)后的兩種工況下的最大應(yīng)力均小于346.2 MPa，沖擊座強度符合標(biāo)準(zhǔn)。最終優(yōu)化結(jié)果顯示，改進(jìn)后的沖擊座與原構(gòu)造相比，優(yōu)化后的沖擊座結(jié)構(gòu)在兩種工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更加合理，最大應(yīng)力都沒有大于材料的許用強度，質(zhì)量減少了9.0%，達(dá)到了優(yōu)化減重的效果，為以后鐵路貨車沖擊座的設(shè)計和輕量化提供了有效的參考。