优化设计在城市轨道车辆设备布置中的应用

摘要: 以大连城市快速轨道3 号线车辆动车为例,介绍了用优化的方法进行城市轨道车辆设备重量分配的,包括设计变量的选择,约束条件的确定及目标函数数学模型的建立。

关键词: 城市轨道车辆;重量分配;优化设计;设备布置

1 　前言
　　“最优化设计”是在计算机广泛应用的基2 　车辆的总体设备重量布置础上起来的一项新技术。是根据最优化原理　　城市轨道车辆方案设计的一个主要任务是设和方法综合各方面的因素,以人机配合方式或“ 自备重量布置方案,它需要综合考虑车辆的功能、环动搜索”方式,在计算机上进行的半自动或自动设境、用途、操作、舒适、安全、美观等诸因素。车辆设计,以选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一备重量分配是在车辆的水平投影面上安排其重心种现代设计方法。
      其设计原则是最优设计;设计手位置的问题。调整车辆设备安放的位置,是车辆簧段是计算机及计算程序;设计方法是采用最优上部分的重心落在水平投影面的纵、横中心轴线相化数学方法。交点的附近。若此重心位置离纵横中心轴线交点实践证明,最优化设计是保证产品具有优良的较远,将产生一些不良的后果。因为车体一般是置性能,减轻自重或减小体积,降低工程造价的一种于两台性能相同的转向架上的,重心偏移将引起车有效设计方法。同时也可使设计者从大量繁琐和体偏斜,在运行中不仅容易超过限界,或因各轴重重复的计算工作中解脱出来,使之有更多的精力从量分配不均而引发行车事故,而且因各种振动形式事创造性的设计,并大大提高设计效率。相互耦合而使车辆运行性能恶化,所以重量分配是概括起来,最优化设计工作包括以下两部分内总体设计中必须考虑的问题之一。
(1) 将设计问题的物理模型转变为数学模型。
建立数学模型是要选取设计变量,列出目标函数,给出约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式。影面上纵、横中心线较为方便。然后对车上各不对称配置的设备确定其重量(或质量) 及该设备重心在坐标系上的坐标。最后各设备重量对坐标轴取矩,若其代数和趋近零,说明重心在坐标原点。
(2) 采用适当的最优化方法,求解数学模型。附近;若代数和不为零,可在结构允许的范围内改可归纳为在给定的条件(例如约束条件) 下求目标变某些设备的安装位置以达到重量分配的目的。设备重量,并应以运用状态的整备重量为准; xi、yi 为i个设备重心的坐标, i = 1 , n 。下面以大连城市轨道3 号线车辆为例,介绍设备布置情况。
(1) 编组方式为
—Tc 3 M 3 M 3 Tc — 式中: Tc 代表有司机室的拖车;M 代表动车; —代表半自动车钩缓冲装置; 3 代表半永久车钩缓冲装置。
(2) 车辆主要尺寸

轴重(t) ≤14(超员状态下) 车辆的轮廓限界符合大连市快速轨道3 号线车辆轮廓限界。车辆的总体布置本着适用维修方便,保证运行变系统的主要设备如牵引逆变器、辅助逆变器、制动电阻箱、空气压缩机组及干燥器、蓄电池箱、空调控制箱、各种分线盒以及各种风缸等均吊装在车体底架下。车辆控制用的各种继电器、断路器、接触器、开关及空调操作面板安装在司机室和客室的各电器柜内。
      司机室内的操纵台上设有车辆驾驶所必需的司机控制器、列车监控系统(TMS) 显示屏、列车自动保护(ATP) 显示屏、信息系统操作面板以及各种仪表、开关等电器设备。受电弓、避雷器及空调机组等设备均安装在车顶部。动车的总体设备布置见图1 , 拖车的总体设备布置见图2 。
3 　优化设计
　　下面仅以大连城市轨道3 号线车辆动车(M) 为例,介绍优化设计在城轨车辆设备重量布置中的应用。建立平面直角坐标系,其中: x 轴表示车辆纵向中心线, y轴表示车辆横向中心线,如图1 。
已知条件: ① 各设备的外形尺寸,可简化表示为一矩形体,对应平面直角坐标系内长宽可表示为(bi,hi) ,i= 1 , n, ② 各设备重量(Wi,i = 1 , n) ; ③ 各设备重心位置:( xi,yi) ,i= 1 , n 。

 
 
 
　图1 　大连城市轨道3 号线动车设备布置图

　图2 　大连市城市轨道3 号线拖车设备布置图
(1) 设计变量的选择在大连城市轨道3 号车辆的设计中,车上(地板面设计变量是能影响设计质量或结果的可变参以上) 的设备一般都是固定或对称放置的,如座椅、数。在城市轨道车辆设备重量分配的优化设计中, 空调、受电弓等设备,这些设备在进行优化时设计变量为各设备在平面直角坐标中的位置(设备设计变量不会改变,故不需要加入约束控制,在建重心的位置) :( xi,yi) ,i =1 , n 。立目标函数时只需将其按固定值代入即可。
(2) 目标函数的建立进行约束控制的主要是车辆底架下布置的设备。目标函数是以设计变量来表示设计所要追求图3 为一设备位置与尺寸示意图, (x,y) 为设备重的某种指标的解析表达式。本例中,需要两个设计心在由车辆纵向中心线( x 轴) 与车辆横向中心线指标都达到最优值,如式(1) 、(2) ,属于多目标函数( y轴) 形成的平面直角坐标系中的位置,( b, h) 为的最优化问题,即: 简化的设备平面投影尺寸,( x0 ,y0) 为设备重心相使用加权组合法统一目标函数,由于上述两项设计指标在优化设计中所占的重要程度相同,可用
均匀计权的方法,取加权因子ω =1 :

图3 　设备位置与尺寸示意图

(3) 约束条件的确定车下设备的布置必须满足在b×h 的区域内设计约束是对设计变量取值范围的限制条件。(如图1) ,其中b的确定应考虑转向架在最恶劣位置不与设备发生干涉,h 的确定则应满足底架的宽度与限界的要求。得约束条件:
gi(x) = xi+ bi-x0 i ≤ b/2 　　i= 1 , n
gi(y) =yi+ hi-y0 i ≤ h/2 i= 1 , n
　　另一个要考虑的约束条件是各设备沿车辆纵向中心线方向布置顺序不改变及相邻设备间留有间隙,即:
gn+i(x) = xi+1 -xi<δ　　i= 1 , n
(4) 最优化方法的选择
      考虑到该例的约束条件具有明确的分析公式(即gu(x)为显式), 而且变量个数适中(20 个左右),选用惩罚函数内点法进行优化计算。
(5) 计算结果的分析与处理
      计算后必须对计算机输出的计算结果进行仔细地分析、比较,检查其合理性,以便得到一个符合工程实际的最优设计方案。对于计算结果给出的设计变量值,也需要核查它们的可行性与合理性。
     在对大连城市轨道3 号线车辆的设备重量分配计算结果的分析中,满足约束条件的情况下,可产生若干组设计变量的值,应用了著名的三维设计软件Unigraphics 强大的绘图及分析功能对计算结果进行了检验、分析,得到一个符合工程实际的最优方案。在车辆整体落成后,通过称重试验检测的结果也基本与优化计算的结果相符合,达到设计要求。

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[1 ] 　刘惟信编著1 机械最优化设计[ M]1 北京: 清华大学出版社, 19941
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[3 ] 　鲍子强1 浅谈机械产品的总体设计[J ]1 机械,19961
[4 ] 　严隽耄1 车辆工程[M]1 北京:铁道出版社,19991
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