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

1、優(yōu)化設(shè)計(jì)在城市軌道車(chē)輛設(shè)備布置中的應(yīng)用摘要:以大連城市快速軌道3號(hào)線車(chē)輛動(dòng)車(chē)為例,介紹了用優(yōu)化的方法進(jìn)展城市軌道車(chē)輛設(shè)備重量分配的計(jì)算,包括設(shè)計(jì)變量的選擇,約束條件確實(shí)定及目的函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立。關(guān)鍵詞:城市軌道車(chē)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(chē)輛的總體設(shè)備重量布置礎(chǔ)上開(kāi)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。是根據(jù)最優(yōu)化原理城市軌道車(chē)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(chē)輛的功能、環(huán)動(dòng)搜索方式,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)展的半自動(dòng)或自動(dòng)設(shè)境、用處、操作、舒適、平安、美觀等諸因素。車(chē)輛設(shè)計(jì),以選出在現(xiàn)有工程條件下的

2、最正確設(shè)計(jì)方案的一備重量分配是在車(chē)輛的程度投影面上安排其重心種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。其設(shè)計(jì)原那么是最優(yōu)設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)手位置的問(wèn)題。調(diào)整車(chē)輛設(shè)備安放的位置,是車(chē)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)上局部的重心落在程度投影面的縱、橫中心軸線相化數(shù)學(xué)方法。交點(diǎn)的附近。假設(shè)此重心位置離縱橫中心軸線交點(diǎn)理論證明,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?chē)體一般是置性能,減輕自重或減小體積,降低工程造價(jià)的一種于兩臺(tái)性能一樣的轉(zhuǎn)向架上的,重心偏移將引起車(chē)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(guò)限界,或因各軸重重復(fù)的計(jì)算工作中解脫出來(lái),使之有更多的精力從量分

3、配不均而引發(fā)行車(chē)事故,而且因各種振動(dòng)形式事創(chuàng)造性的設(shè)計(jì),并大大進(jìn)步設(shè)計(jì)效率。互相耦合而使車(chē)輛運(yùn)行性能惡化,所以重量分配是概括起來(lái),最優(yōu)化設(shè)計(jì)工作包括以下兩局部?jī)?nèi)總體設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題之一。(1)將設(shè)計(jì)問(wèn)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,列出目的函數(shù),給出約束條件。目的函數(shù)是設(shè)計(jì)問(wèn)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(duì)車(chē)上各不對(duì)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(duì)坐標(biāo)軸取矩,假設(shè)其代數(shù)和趨近零,說(shuō)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;假設(shè)代數(shù)和不為零,可在

4、構(gòu)造允許的范圍內(nèi)改可歸納為在給定的條件(例如約束條件)下求目的變某些設(shè)備的安裝位置以到達(dá)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(hào)線車(chē)輛為例,介紹設(shè)備布置情況。(1)編組方式為t333t式中:t代表有司機(jī)室的拖車(chē);代表動(dòng)車(chē);代表半自動(dòng)車(chē)鉤緩沖裝置;3代表半永久車(chē)鉤緩沖裝置。(2)車(chē)輛主要尺寸軸重(t)14(超員狀態(tài)下)車(chē)輛的輪廓限界符合大連市快速軌道3號(hào)線車(chē)輛輪廓限界。車(chē)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(dòng)電阻箱、空氣壓縮機(jī)組及枯燥器、蓄電池箱、空調(diào)控制箱、各種分線盒

5、以及各種風(fēng)缸等均吊裝在車(chē)體底架下。車(chē)輛控制用的各種繼電器、斷路器、接觸器、開(kāi)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(tái)上設(shè)有車(chē)輛駕駛所必需的司機(jī)控制器、列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)(ts)顯示屏、列車(chē)自動(dòng)保護(hù)(atp)顯示屏、信息系統(tǒng)操作面板以及各種儀表、開(kāi)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(chē)頂部。動(dòng)車(chē)的總體設(shè)備布置見(jiàn)圖1,拖車(chē)的總體設(shè)備布置見(jiàn)圖2。3優(yōu)化設(shè)計(jì)下面僅以大連城市軌道3號(hào)線車(chē)輛動(dòng)車(chē)()為例,介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)在城軌車(chē)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(chē)輛縱向中心線,y軸表示車(chē)輛橫向中心線,如圖1。條件:各設(shè)備的外形尺寸,可簡(jiǎn)化表示為一矩形體

6、,對(duì)應(yīng)平面直角坐標(biāo)系內(nèi)長(zhǎng)寬可表示為(bi,hi),i=1,n,各設(shè)備重量(i,i=1,n);各設(shè)備重心位置:(xi,yi),i=1,n。圖1大連城市軌道3號(hào)線動(dòng)車(chē)設(shè)備布置圖圖2大連市城市軌道3號(hào)線拖車(chē)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(hào)車(chē)輛的設(shè)計(jì)中,車(chē)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(chē)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)展優(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(huì)改變,故不需要參加約束控制,在建重心的位置):(xi,yi),i=1,n。立目的函數(shù)時(shí)只需將其按固

7、定值代入即可。(2)目的函數(shù)的建立進(jìn)展約束控制的主要是車(chē)輛底架下布置的設(shè)備。目的函數(shù)是以設(shè)計(jì)變量來(lái)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(chē)輛縱向中心線(x軸)與車(chē)輛橫向中心線指標(biāo)都到達(dá)最優(yōu)值,如式(1)、(2),屬于多目的函數(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(wèn)題,即:簡(jiǎn)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)一目的函數(shù),由于上述兩項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中所占的重要程度一樣,可用均勻計(jì)權(quán)的方法,取加權(quán)因子=1:圖3設(shè)備位置與尺寸示意圖(3)約束條件確實(shí)定車(chē)下設(shè)備的布置必須滿

8、足在bh的區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)約束是對(duì)設(shè)計(jì)變量取值范圍的限制條件。(如圖1),其中b確實(shí)定應(yīng)考慮轉(zhuǎn)向架在最?lèi)毫游恢貌慌c設(shè)備發(fā)生干預(yù),h確實(shí)定那么應(yīng)滿足底架的寬度與限界的要求。得約束條件:gi(x)=xi+bi-x0ib/2i=1,ngi(y)=yi+hi-y0ih/2i=1,n另一個(gè)要考慮的約束條件是各設(shè)備沿車(chē)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-xii=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)展優(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(duì)計(jì)算機(jī)輸出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)展仔細(xì)地分析、比擬,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(duì)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(duì)大連城市軌道3號(hào)線車(chē)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)生假設(shè)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unigraphis強(qiáng)大的繪圖及分析功能對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)展了檢驗(yàn)、分析,得到一個(gè)符合工程實(shí)際的最優(yōu)方案。在車(chē)輛整體落成后,通過(guò)稱重試驗(yàn)檢測(cè)的結(jié)果也根本與優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果相符合,到達(dá)設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn):1劉惟信編著1機(jī)械最