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摘要：针对某型轨检车车下个别柴油发电机组特殊油箱吊座模块在仿真计算的过程中出现局部静态应力超出材料许用应力问题，从结构和材料两个方面对该吊座提出了3种优化方案，通过CAE静强度仿真计算并结合屈服安全系数判定方法，得出优化方案3的屈服安全系数为1.586，其值大于1.15，其结构更加合理，为以后类似结构的优化设计提供了一定的参考。
Abstract： In order to solve the problem that the local static stress exceeds the allowable stress of the material in the process of simulation calculation of some special oil tank hanging seat module under a certain type of rail inspection vehicle， three optimization schemes are proposed from the structure and material aspects. Through the CAE static strength simulation calculation and combined with the yield safety factor determination method， the yield safety factor of optimization scheme 3 is 1.586， which is greater than 1.15， and its structure is more reasonable， which provides a certain reference for the future optimization design of similar structures.
關键词：轨检车;油箱吊座模块;屈服安全系数;优化
Key words： rail inspection vehicle;oil tank hanger module;yield safety factor;optimization
中图分类号：U273.3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0023-03
0 引言
随着轨道交通行业的飞速发展，轨道也随之被广泛应用，因此轨道几何状态的检测也变得尤为重要[1]。中车南京浦镇车辆有限公司设计的某型轨道检查车可实现最高检测速度160km/h运行条件下对轨道几何状态进行双向检测，这款车车下个别特殊油箱吊座模块结构在CAE仿真计算的时候出现局部静态应力超差的现象，存在安全隐患，针对此问题，本文对该结构进行优化并结合CAE仿真计算，得出了此优化结构的可行性，为以后类似结构的优化设计提供了思路和方法。
1 油箱吊座模块结构描述
图1给出了某型轨检车车下柴油发电机组油箱吊座模块结构，由一块折弯的立板和两块筋板组焊而成。受该型轨检车车下设备布局空间的限制，此车型车下部分油箱吊座模块的个别筋板和车下制动吊座模块出现干涉情况，图2给出了三维干涉状态，因此需在油箱吊座模块干涉的个别筋板上切除部分结构以满足与制动吊座模块的安装配合，图3给出了需要切除部分结构的特殊油箱吊座模块的结构图。
2 静强度理论及验收规范
根据第四强度理论，计算复杂应力结构时，采用当量计算应力进行求解校核[2]，其计算公式为：
（1）
式中：？滓e——当量应力，MPa;
？滓i——主应力（i=1，2，3），MPa。
在判定结构是否满足静强度要求时，可引入屈服安全系数其计算公式如下[3]：
（2）
式中：R——材料屈服点（Rel）或0.2%的实用弹限应力（Rp02），单位：N/mm2;
？滓c——计算应力，单位：N/mm2。
其中在仅利用计算验证设计时S1应取1.15，故当所计算的屈服安全系数S不小于1.15时，该结构才能满足静强度要求。
3 特殊油箱吊座模块结构分析
针对需要切除部分结构的个别特殊油箱吊座模块结构，本文结合CAE仿真对该结构进行了静强度分析计算，表1给出了该油箱吊座模块的结构属性。在本文中所有涉及坐标系的方向规定如下：
X向：对应于车辆车体纵轴，正方向为运动方向;
Z向：对应于车辆车体竖向轴，正方向指向上方;
Y向：对应于车辆车体横轴，为水平平面，构成了右手坐标系。
表2给出了CAE仿真时的强度计算工况，其中纵向冲击工况可根据屈服强度进行校核，因此可根据式（2）中的屈服安全系数是否不小于1.15来判断结构的合理性。
图4给出了特殊油箱吊座模块结构的在纵向冲击工况下的应力云图，由图可知该结构在此工况下最大静应力达到了331.43MPa，由式（2）可得其屈服安全系数为0.709，其值小于1.15，故此特殊油箱吊座模块结构并不满足屈服强度要求，存在一定的安全隐患。 4 特殊油箱吊座模块优化分析
针对以上特殊油箱吊座模块结构屈服强度不满足要求的情况，本文从结构和材料两个方面提出3种优化方案，表3给出了此3种优化方案内容。针对优化方案1对该结构应力较大的筋板缺口处进行结构优化改进，将该筋板缺口处的一些结构尖点进行平滑过渡处理，图5给出了该特殊油箱吊座模块优化前后的结构。针对优化后的结构按纵向冲击工况再对其进行仿真计算。
图6给出了结构优化后的应力云图，由图可知该结构在此工况下最大静应力为223.87MPa，与结构优化前相比应力下降较大，故可得从结构方向进行该结构优化是可行的，表4给出了该结构优化前后的计算结果，图7给出了几种方案的屈服安全系数曲线。但由表4和图7可知针对优化方案1其屈服安全系数为1.050，其值仍小于1.15，故在此情况下的结构仍存在安全隐患问题。现针对优化方案2仅从材料优化的角度考虑，仅将Q235B材料改为Q355NE的材料，由表4和图7可知其屈服安全系数为1.071，其值仍小于1.15，故在此情况下的结构仍存在安全隐患问题。因此针对优化方案3同时对结构和材料进行优化，由表4可知其屈服安全系数为1.586，其值大于1.15，其结构满足屈服强度使用要求，同时由图7得出屈服安全系数S随几种优化方案的改进而逐渐增大，尤其在优化方案3时屈服安全系数S达到最大且超过了S1的1.15，故优化方案3中同时对结构和材料进行优化是比较合理的。
5 结论
①针对特殊油箱吊座模块的特殊结构问题，本文从结构和材料两个方面对该吊座提出了3种优化方案，并结合CAE静强度仿真计算和屈服安全系数判断方法，得出优化方案3的屈服安全系数为1.586，其值大于1.15，证明其結构更加合理。
②针对结构问题的优化，本文提出的从结构优化到材料优化最后再到结构和材料同时优化的优化思路是可行的，为以后类似结构的优化设计提供了一定的参考。
参考文献：
[1]程志全.轨道检测车的运用[J].中国铁路，2015（05）：82-85.
[2]TB/T1335-1996，铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].
[3]BS EN12663-1：2010， Railway applications-Struc-tural requirements of railway vehicle bodies[S].
[4]赵尚，熊德伟，黄晓燕，李雪.地铁车辆转向架齿轮箱吊座结构优化[J].城市轨道交通研究，2014，17（12）：65-68，72.
[5]Z.Y. Qin， S.Z. Yan， F.L. Chu. Finite element analysis of the clamp band joint.2011， 36（1）：463-477.
[6]张治琪，李世芸，王晓东，仝小田，吴磊.轨道吸污动力车结构静强度分析[J].农业装备与车辆工程，2020，58（09）：82-85.
[7]Ficarella E.， Lamberti L.， Degertekin S.O.. Comparison of three novel hybrid metaheuristic algorithms for structural optimization problems. 2021， 244：106395-.
[8]Suguang Dou， Mathias Stolpe. On stress-constrained fail-safe structural optimization considering partial damage. 2021， ：1-5.
[9]姜雷.轨检车车架强度的有限元分析[J].铁道建筑，2009（01）：12-14.
[10]赵民，孙晶，王宇，王铮铮.某汽车座椅头枕静强度仿真分析与优化[J].机械设计与制造，2020（08）：73-75，79.
[11]杨海江，宋伟科.飞行塔类游乐设施座舱吊挂装置结构分析[J].中国特种设备安全，2016，32（04）：73-76.
Abstract： In order to solve the problem that the local static stress exceeds the allowable stress of the material in the process of simulation calculation of some special oil tank hanging seat module under a certain type of rail inspection vehicle， three optimization schemes are proposed from the structure and material aspects. Through the CAE static strength simulation calculation and combined with the yield safety factor determination method， the yield safety factor of optimization scheme 3 is 1.586， which is greater than 1.15， and its structure is more reasonable， which provides a certain reference for the future optimization design of similar structures.
關键词：轨检车;油箱吊座模块;屈服安全系数;优化
Key words： rail inspection vehicle;oil tank hanger module;yield safety factor;optimization
中图分类号：U273.3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0023-03
0 引言
随着轨道交通行业的飞速发展，轨道也随之被广泛应用，因此轨道几何状态的检测也变得尤为重要[1]。中车南京浦镇车辆有限公司设计的某型轨道检查车可实现最高检测速度160km/h运行条件下对轨道几何状态进行双向检测，这款车车下个别特殊油箱吊座模块结构在CAE仿真计算的时候出现局部静态应力超差的现象，存在安全隐患，针对此问题，本文对该结构进行优化并结合CAE仿真计算，得出了此优化结构的可行性，为以后类似结构的优化设计提供了思路和方法。
1 油箱吊座模块结构描述
图1给出了某型轨检车车下柴油发电机组油箱吊座模块结构，由一块折弯的立板和两块筋板组焊而成。受该型轨检车车下设备布局空间的限制，此车型车下部分油箱吊座模块的个别筋板和车下制动吊座模块出现干涉情况，图2给出了三维干涉状态，因此需在油箱吊座模块干涉的个别筋板上切除部分结构以满足与制动吊座模块的安装配合，图3给出了需要切除部分结构的特殊油箱吊座模块的结构图。
2 静强度理论及验收规范
根据第四强度理论，计算复杂应力结构时，采用当量计算应力进行求解校核[2]，其计算公式为：
（1）
式中：？滓e——当量应力，MPa;
？滓i——主应力（i=1，2，3），MPa。
在判定结构是否满足静强度要求时，可引入屈服安全系数其计算公式如下[3]：
（2）
式中：R——材料屈服点（Rel）或0.2%的实用弹限应力（Rp02），单位：N/mm2;
？滓c——计算应力，单位：N/mm2。
其中在仅利用计算验证设计时S1应取1.15，故当所计算的屈服安全系数S不小于1.15时，该结构才能满足静强度要求。
3 特殊油箱吊座模块结构分析
针对需要切除部分结构的个别特殊油箱吊座模块结构，本文结合CAE仿真对该结构进行了静强度分析计算，表1给出了该油箱吊座模块的结构属性。在本文中所有涉及坐标系的方向规定如下：
X向：对应于车辆车体纵轴，正方向为运动方向;
Z向：对应于车辆车体竖向轴，正方向指向上方;
Y向：对应于车辆车体横轴，为水平平面，构成了右手坐标系。
表2给出了CAE仿真时的强度计算工况，其中纵向冲击工况可根据屈服强度进行校核，因此可根据式（2）中的屈服安全系数是否不小于1.15来判断结构的合理性。
图4给出了特殊油箱吊座模块结构的在纵向冲击工况下的应力云图，由图可知该结构在此工况下最大静应力达到了331.43MPa，由式（2）可得其屈服安全系数为0.709，其值小于1.15，故此特殊油箱吊座模块结构并不满足屈服强度要求，存在一定的安全隐患。 4 特殊油箱吊座模块优化分析
针对以上特殊油箱吊座模块结构屈服强度不满足要求的情况，本文从结构和材料两个方面提出3种优化方案，表3给出了此3种优化方案内容。针对优化方案1对该结构应力较大的筋板缺口处进行结构优化改进，将该筋板缺口处的一些结构尖点进行平滑过渡处理，图5给出了该特殊油箱吊座模块优化前后的结构。针对优化后的结构按纵向冲击工况再对其进行仿真计算。
图6给出了结构优化后的应力云图，由图可知该结构在此工况下最大静应力为223.87MPa，与结构优化前相比应力下降较大，故可得从结构方向进行该结构优化是可行的，表4给出了该结构优化前后的计算结果，图7给出了几种方案的屈服安全系数曲线。但由表4和图7可知针对优化方案1其屈服安全系数为1.050，其值仍小于1.15，故在此情况下的结构仍存在安全隐患问题。现针对优化方案2仅从材料优化的角度考虑，仅将Q235B材料改为Q355NE的材料，由表4和图7可知其屈服安全系数为1.071，其值仍小于1.15，故在此情况下的结构仍存在安全隐患问题。因此针对优化方案3同时对结构和材料进行优化，由表4可知其屈服安全系数为1.586，其值大于1.15，其结构满足屈服强度使用要求，同时由图7得出屈服安全系数S随几种优化方案的改进而逐渐增大，尤其在优化方案3时屈服安全系数S达到最大且超过了S1的1.15，故优化方案3中同时对结构和材料进行优化是比较合理的。
5 结论
①针对特殊油箱吊座模块的特殊结构问题，本文从结构和材料两个方面对该吊座提出了3种优化方案，并结合CAE静强度仿真计算和屈服安全系数判断方法，得出优化方案3的屈服安全系数为1.586，其值大于1.15，证明其結构更加合理。
②针对结构问题的优化，本文提出的从结构优化到材料优化最后再到结构和材料同时优化的优化思路是可行的，为以后类似结构的优化设计提供了一定的参考。
参考文献：
[1]程志全.轨道检测车的运用[J].中国铁路，2015（05）：82-85.
[2]TB/T1335-1996，铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].
[3]BS EN12663-1：2010， Railway applications-Struc-tural requirements of railway vehicle bodies[S].
[4]赵尚，熊德伟，黄晓燕，李雪.地铁车辆转向架齿轮箱吊座结构优化[J].城市轨道交通研究，2014，17（12）：65-68，72.
[5]Z.Y. Qin， S.Z. Yan， F.L. Chu. Finite element analysis of the clamp band joint.2011， 36（1）：463-477.
[6]张治琪，李世芸，王晓东，仝小田，吴磊.轨道吸污动力车结构静强度分析[J].农业装备与车辆工程，2020，58（09）：82-85.
[7]Ficarella E.， Lamberti L.， Degertekin S.O.. Comparison of three novel hybrid metaheuristic algorithms for structural optimization problems. 2021， 244：106395-.
[8]Suguang Dou， Mathias Stolpe. On stress-constrained fail-safe structural optimization considering partial damage. 2021， ：1-5.
[9]姜雷.轨检车车架强度的有限元分析[J].铁道建筑，2009（01）：12-14.
[10]赵民，孙晶，王宇，王铮铮.某汽车座椅头枕静强度仿真分析与优化[J].机械设计与制造，2020（08）：73-75，79.
[11]杨海江，宋伟科.飞行塔类游乐设施座舱吊挂装置结构分析[J].中国特种设备安全，2016，32（04）：73-76.