優(yōu)化設(shè)計(jì)在城市軌道車輛設(shè)備布置中的應(yīng)用

摘要: 以大連城市快速軌道3 號線車輛動車為例,介紹了用優(yōu)化的方法進(jìn)行城市軌道車輛設(shè)備重量分配的計(jì)算,包括設(shè)計(jì)變量的選擇,約束條件的確定及目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立。
關(guān)鍵詞: 城市軌道車輛;重量分配;優(yōu)化設(shè)計(jì);設(shè)備布置
1 　前言
　　“最優(yōu)化設(shè)計(jì)”是在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的基2 　車輛的總體設(shè)備重量布置礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。是根據(jù)最優(yōu)化原理　　城市軌道車輛方案設(shè)計(jì)的一個(gè)主要任務(wù)是設(shè)和方法綜合各方面的因素,以人機(jī)配合方式或“ 自備重量布置方案,它需要綜合考慮車輛的功能、環(huán)動搜索”方式,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的半自動或自動設(shè)境、用途、操作、舒適、安全、美觀等諸因素。車輛設(shè)計(jì),以選出在現(xiàn)有工程條件下的最佳設(shè)計(jì)方案的一備重量分配是在車輛的水平投影面上安排其重心種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。
其設(shè)計(jì)原則是最優(yōu)設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)手位置的問題。調(diào)整車輛設(shè)備安放的位置,是車輛簧段是電子計(jì)算機(jī)及計(jì)算程序;設(shè)計(jì)方法是采用最優(yōu)上部分的重心落在水平投影面的縱、橫中心軸線相化數(shù)學(xué)方法。交點(diǎn)的附近。若此重心位置離縱橫中心軸線交點(diǎn)實(shí)踐證明,最優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品具有優(yōu)良的較遠(yuǎn),將產(chǎn)生一些不良的后果。因?yàn)檐圀w一般是置性能,減輕自重或減小體積,降低工程造價(jià)的一種于兩臺性能相同的轉(zhuǎn)向架上的,重心偏移將引起車有效設(shè)計(jì)方法。同時(shí)也可使設(shè)計(jì)者從大量繁瑣和體偏斜,在運(yùn)行中不僅容易超過限界,或因各軸重重復(fù)的計(jì)算工作中解脫出來,使之有更多的精力從量分配不均而引發(fā)行車事故,而且因各種振動形式事創(chuàng)造性的設(shè)計(jì),并大大提高設(shè)計(jì)效率。相互耦合而使車輛運(yùn)行性能惡化,所以重量分配是概括起來,最優(yōu)化設(shè)計(jì)工作包括以下兩部分內(nèi)總體設(shè)計(jì)中必須考慮的問題之一。
(1) 將設(shè)計(jì)問題的物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型。
建立數(shù)學(xué)模型是要選取設(shè)計(jì)變量,列出目標(biāo)函數(shù),給出約束條件。目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)問題所要求的最優(yōu)指標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系式。影面上縱、橫中心線較為方便。然后對車上各不對稱配置的設(shè)備確定其重量(或質(zhì)量) 及該設(shè)備重心在參考坐標(biāo)系上的坐標(biāo)。最后各設(shè)備重量對坐標(biāo)軸取矩,若其代數(shù)和趨近零,說明重心在坐標(biāo)原點(diǎn)。
(2) 采用適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法,求解數(shù)學(xué)模型。附近;若代數(shù)和不為零,可在結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)改可歸納為在給定的條件(例如約束條件) 下求目標(biāo)變某些設(shè)備的安裝位置以達(dá)到重量分配的目的。設(shè)備重量,并應(yīng)以運(yùn)用狀態(tài)的整備重量為準(zhǔn); xi、yi 為i個(gè)設(shè)備重心的坐標(biāo), i = 1 , n 。下面以大連城市軌道3 號線車輛為例,介紹設(shè)備布置情況。
(1) 編組方式為
—Tc 3 M 3 M 3 Tc — 式中: Tc 代表有司機(jī)室的拖車;M 代表動車; —代表半自動車鉤緩沖裝置; 3 代表半永久車鉤緩沖裝置。
(2) 車輛主要尺寸

軸重(t) ≤14(超員狀態(tài)下) 車輛的輪廓限界符合大連市快速軌道3 號線車輛輪廓限界。車輛的總體布置本著適用維修方便,保證運(yùn)行變系統(tǒng)的主要設(shè)備如牽引逆變器、輔助逆變器、制動電阻箱、空氣壓縮機(jī)組及干燥器、蓄電池箱、空調(diào)控制箱、各種分線盒以及各種風(fēng)缸等均吊裝在車體底架下。車輛控制用的各種繼電器、斷路器、接觸器、開關(guān)及空調(diào)操作面板安裝在司機(jī)室和客室的各電器柜內(nèi)。
司機(jī)室內(nèi)的操縱臺上設(shè)有車輛駕駛所必需的司機(jī)控制器、列車監(jiān)控系統(tǒng)(TMS) 顯示屏、列車自動保護(hù)(ATP) 顯示屏、信息系統(tǒng)操作面板以及各種儀表、開關(guān)等電器設(shè)備。受電弓、避雷器及空調(diào)機(jī)組等設(shè)備均安裝在車頂部。動車的總體設(shè)備布置見圖1 , 拖車的總體設(shè)備布置見圖2 。
3 　優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　下面僅以大連城市軌道3 號線車輛動車(M) 為例,介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)在城軌車輛設(shè)備重量布置中的應(yīng)用。建立平面直角坐標(biāo)系,其中: x 軸表示車輛縱向中心線, y軸表示車輛橫向中心線,如圖1 。
已知條件: ① 各設(shè)備的外形尺寸,可簡化表示為一矩形體,對應(yīng)平面直角坐標(biāo)系內(nèi)長寬可表示為(bi,hi) ,i= 1 , n, ② 各設(shè)備重量(Wi,i = 1 , n) ; ③ 各設(shè)備重心位置:( xi,yi) ,i= 1 , n 。


　圖1 　大連城市軌道3 號線動車設(shè)備布置圖

　圖2 　大連市城市軌道3 號線拖車設(shè)備布置圖
(1) 設(shè)計(jì)變量的選擇在大連城市軌道3 號車輛的設(shè)計(jì)中,車上(地板面設(shè)計(jì)變量是能影響設(shè)計(jì)質(zhì)量或結(jié)果的可變參以上) 的設(shè)備一般都是固定或?qū)ΨQ放置的,如座椅、數(shù)。在城市軌道車輛設(shè)備重量分配的優(yōu)化設(shè)計(jì)中, 空調(diào)、受電弓等設(shè)備,這些設(shè)備在進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)變量為各設(shè)備在平面直角坐標(biāo)中的位置(設(shè)備設(shè)計(jì)變量不會改變,故不需要加入約束控制,在建重心的位置) :( xi,yi) ,i =1 , n 。立目標(biāo)函數(shù)時(shí)只需將其按固定值代入即可。
(2) 目標(biāo)函數(shù)的建立進(jìn)行約束控制的主要是車輛底架下布置的設(shè)備。目標(biāo)函數(shù)是以設(shè)計(jì)變量來表示設(shè)計(jì)所要追求圖3 為一設(shè)備位置與尺寸示意圖, (x,y) 為設(shè)備重的某種指標(biāo)的解析表達(dá)式。本例中,需要兩個(gè)設(shè)計(jì)心在由車輛縱向中心線( x 軸) 與車輛橫向中心線指標(biāo)都達(dá)到最優(yōu)值,如式(1) 、(2) ,屬于多目標(biāo)函數(shù)( y軸) 形成的平面直角坐標(biāo)系中的位置,( b, h) 為的最優(yōu)化問題,即: 簡化的設(shè)備平面投影尺寸,( x0 ,y0) 為設(shè)備重心相使用加權(quán)組合法統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù),由于上述兩項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中所占的重要程度相同,可用
均勻計(jì)權(quán)的方法,取加權(quán)因子ω =1 :

圖3 　設(shè)備位置與尺寸示意圖

(3) 約束條件的確定車下設(shè)備的布置必須滿足在b×h 的區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)約束是對設(shè)計(jì)變量取值范圍的限制條件。(如圖1) ,其中b的確定應(yīng)考慮轉(zhuǎn)向架在最惡劣位置不與設(shè)備發(fā)生干涉,h 的確定則應(yīng)滿足底架的寬度與限界的要求。得約束條件:
gi(x) = xi+ bi-x0 i ≤ b/2 　　i= 1 , n
gi(y) =yi+ hi-y0 i ≤ h/2 i= 1 , n
　　另一個(gè)要考慮的約束條件是各設(shè)備沿車輛縱向中心線方向布置順序不改變及相鄰設(shè)備間留有間隙,即:
gn+i(x) = xi+1 -xi<δ　　i= 1 , n
(4) 最優(yōu)化方法的選擇
考慮到該例的約束條件具有明確的分析公式(即gu(x)為顯式), 而且變量個(gè)數(shù)適中(20 個(gè)左右),選用懲罰函數(shù)內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
(5) 計(jì)算結(jié)果的分析與處理
計(jì)算后必須對計(jì)算機(jī)輸出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)地分析、比較,檢查其合理性,以便得到一個(gè)符合工程實(shí)際的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。對于計(jì)算結(jié)果給出的設(shè)計(jì)變量值,也需要核查它們的可行性與合理性。
在對大連城市軌道3 號線車輛的設(shè)備重量分配計(jì)算結(jié)果的分析中,滿足約束條件的情況下,可產(chǎn)生若干組設(shè)計(jì)變量的值,應(yīng)用了著名的三維設(shè)計(jì)軟件Unigraphics 強(qiáng)大的繪圖及分析功能對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)、分析,得到一個(gè)符合工程實(shí)際的最優(yōu)方案。在車輛整體落成后,通過稱重試驗(yàn)檢測的結(jié)果也基本與優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果相符合,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn):
[1 ] 　劉惟信編著1 機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)[ M]1 北京: 清華大學(xué)出版社, 19941
[2 ] 　崔華林1 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[M]1 沈陽:東北工學(xué)院出版社,19891
[3 ] 　鮑子強(qiáng)1 淺談機(jī)械產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)[J ]1 現(xiàn)代機(jī)械,19961
[4 ] 　嚴(yán)雋耄1 車輛工程[M]1 北京:中國鐵道出版社,19991
[5 ] 　孫章等1 城市軌道交通概論[ M ] 1 北京: 中國鐵道出版社, 20001