优化设计在城市轨道车辆设备布置中的应用

1、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展城市轨道车辆设备重量分配的计算,包括设计变量的选择,约束条件确实定及目的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“最优化设计是在现代计算机广泛应用的基2车辆的总体设备重量布置础上开展起来的一项新技术。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,在计算机上进展的半自动或自动设境、用处、操作、舒适、平安、美观等诸因素。车辆设计,以选出在现有工程条件下的

2、最正确设计方案的一备重量分配是在车辆的程度投影面上安排其重心种现代设计方法。其设计原那么是最优设计;设计手位置的问题。调整车辆设备安放的位置,是车辆簧段是电子计算机及计算程序;设计方法是采用最优上局部的重心落在程度投影面的纵、横中心轴线相化数学方法。交点的附近。假设此重心位置离纵横中心轴线交点理论证明,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一样的转向架上的,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

3、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,并大大进步设计效率。互相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局部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,列出目的函数,给出约束条件。目的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)及该设备重心在参考坐标系上的坐标。最后各设备重量对坐标轴取矩,假设其代数和趋近零,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;假设代数和不为零,可在

4、构造允许的范围内改可归纳为在给定的条件(例如约束条件)下求目的变某些设备的安装位置以到达重量分配的目的。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t333t式中:t代表有司机室的拖车;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、空气压缩机组及枯燥器、蓄电池箱、空调控制箱、各种分线盒

5、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(ts)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()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。条件:各设备的外形尺寸,可简化表示为一矩形体

6、,对应平面直角坐标系内长宽可表示为(bi,hi),i=1,n,各设备重量(i,i=1,n);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,这些设备在进展优化计算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,故不需要参加约束控制,在建重心的位置):(xi,yi),i=1,n。立目的函数时只需将其按固

7、定值代入即可。(2)目的函数的建立进展约束控制的主要是车辆底架下布置的设备。目的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到达最优值,如式(1)、(2),属于多目的函数(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的函数,由于上述两项设计指标在优化设计中所占的重要程度一样,可用均匀计权的方法,取加权因子=1:图3设备位置与尺寸示意图(3)约束条件确实定车下设备的布置必须满

8、足在bh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确实定应考虑转向架在最恶劣位置不与设备发生干预,h确实定那么应满足底架的宽度与限界的要求。得约束条件:gi(x)=xi+bi-x0ib/2i=1,ngi(y)=yi+hi-y0ih/2i=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-xii=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展优化计算。(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展仔细地分析、比拟,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,可产生假设干组设计变量的值,应用了著名的三维设计软件unigraphis强大的绘图及分析功能对计算结果进展了检验、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根本与优化计算的结果相符合,到达设计要求。参考文献:1刘惟信编著1机械最