摘 要：在我国经济蓬勃发展的今天，高速动车组技术已取得了重大成就。我国各大主要城市遍布高速动车网络，极大方便了人们的出行。本文通过对高速动车组铝合金车体结构优化策略进行分析，并以其结构特点为依托，对现有遗传算法进行优化，确定了新的优化模型，拓宽了筋板配置优化新思路。

关键词：高速动车组；铝合金；车体结构；优化策略

对高速动车组进行质量优化，能够有效降低其牵引功率，除此之外，还有减小噪声、降低噪音、提升运行性能等好处。所以，国际上先进的高速列车几乎都是采用铝合金作为车体材质。目前，我国自主研发的高速动车组车体材质都为铝合金，这种结构与传统的钢质车体结构有很大区别。传统的钢质车体结构在确定主体参数、尺寸、载重等后，还要确定梁柱截面、排放和厚度，确定梁柱位置，只能凭借设计师的经验或实际设备安装情况来确定。所以，对传统的钢质车体结构进行优化时，主要内容就是板材厚度及梁柱截面，是一种较为成熟的截面优化。反观铝合金车体，采用的是双层鼓形酮体结构，并且是由挤压型材料焊接而成。铝合金车体结构在确定主体参数后，还要对各筋板厚度、型材筋板配置、型材双层板间距等进行充分考虑。

1 优化设计模型

车体结构优化的主要目的就是以安全运行、性能满足需求作为前提，尽量减轻结构质量。对铝合金车体结构进行优化时，主要考虑型材筋板配置、型材双层板间距、筋板厚度这三类。将结构的自振频率、位移等作为限制条件，使结构以最大振动特性、刚度、强度为基础，进而实现质量优化。

优化模型为：

find.X=（t1，t2...tk，a1，a2...am，p1，p2...pn）

min.W（x）

s.t. oi

其中，W（x）是结构总质量；tk是班后变量；am是节点坐标变量；pn是筋板变量；oi是车体应力；oc是应力约束值；uj是车体指定位移；uc是位移结束；f是车体自振频率；fc是频率约束值。

对于此类工程的结构优化，其中存在一些问题限制了其发展，其中包括：其一，对铝合金车体结构进行优化，设计变量包含拓扑优化、形状优化、截面优化三类，这三种优化之间存在一定的耦合性，如果采用独立优化的方式，会使优化与实际情況不符，出现误差，这就失去了优化的原有目的。其二，规模较大，变量较多，使得优化效率较低，很难收敛，还有可能不收敛。其三，优化问题一般非凸，一般的最优解能够较容易的陷入到某个区域特定最优解，而不是整体最优解。

2 优化设计方案

2.1 适应度函数

首先，通过惩罚函数将工程结构进行转化，由有约束优化转化为序列无约束优化，将：

find.X=（t1，t2...tk，a1，a2...am，p1，p2...pn）

min.W（x）

s.t. oi

转化为：F=hW+r（fc-f）（fc-f）+ΣSk（uc-uk）（uc-uk）+Σtk（σc-σk）（σc-σk）

其中，h，r，Sk，tk是惩罚系数；h是质量项系数；r是频率项系数；Sk是位移项系数；tk是应力项系数。惩罚系数除了要保证完成本身应有的功能外，还要在不同力学间起到协调作用，使得适应度函数能够最大限度满足收敛需求。一般设置一个频率约束，而设置多个位移约束和应力约束。但由于惩罚函数构造的车体为极小值，因此可取适应度函数倒数作为最终解。如设计点超出可行域，离可行域越近的适应度函数越大；如设计点在可行域范围内，这时适应度函数就与约束不发生关系，只与结构质量有关，二者为反比关系。

2.2 型材形状优化

车辆的空气动力学、美观等会影响到铝合金车体外部造型，所以在设计时，将外层板几何视作参数，确定内板层位置通过调整间距来完成。所以，将内层板自然节点动量视作变量，既能调整间距，而且还能对控制点变量进行约束。但这也存在一些缺陷，就是会导致边界形状出现不规则的问题，也就是说，对车体进行优化设计时，边界容易产生锯齿形，进而降低其实用性。

2.3 筋板配置

为了确保铝合金车体的强度、刚度足够大，通常来说，挤压型材的双层板内有近半进行连接，这种筋板设置有斜向连接和垂直型材面板两种，但眼下还没有完整的方法能够对其进行拓扑优化。但可以采取其他方法，例如，先对车体最大化结构进行确定，删除多余的筋板，尽量使剩下的结构靠近最优设计。改进车顶形状，在原基础上加入斜筋，让初始车体结构更加丰富。将每个筋板视作独立变量，可用一位二进制进行表达，之后对其进行拓扑优化设计。除去多余的筋板，使剩下的结构依然能够承受荷载。这有方法操作简单，不会遇到传统算法会遇到的问题；但也存在缺点，就是会降低优化效率，会消耗大量机时。

3 结束语

综上所述，本文所采取的优化策略具备较好的实用性。通过遗传算法，在对铝合金车体进行优化时，能够使拓扑优化、形状优化、截面优化这三种优化放置在同一模型中进行。通过实验证明，适应度函数收敛性较好，能够完成车体结构优化设计任务，而且筋板拓扑优化和内层板节坐标也行之有效。但还存在一些不足，如优化率不高、机时消耗多等，还需要在日后的研究中进行改进。

参考文献：

[1]钱立新.世界高速铁路技术[J].铁道学报，2017（6）.

作者简介：

吕海磊（1972- ），男，汉族，山东青岛人，本科，青岛市首席技师，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，研究方向：高速动车组车体组装与调修。