優(yōu)化設(shè)計在城市軌道車輛設(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)化的方法進行城市軌道車輛設(shè)備重量分配的計算,包括設(shè)計變量的選擇,約束條件的確定及目標函數(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;設(shè)備布置
1 　前言
　　“最優(yōu)化設(shè)計”是在現(xiàn)代計算機廣泛應(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)計的一個主要任務(wù)是設(shè)和方法綜合各方面的因素,以人機配合方式或“ 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,在計算機上進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,以選出在現(xiàn)有工程條件下的最佳設(shè)計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)計方法。
其設(shè)計原則是最優(yōu)設(shè)計;設(shè)計手位置的問題。調(diào)整車輛設(shè)備安放的位置,是車輛簧段是電子計算機及計算程序;設(shè)計方法是采用最優(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。交點的附近。若此重心位置離縱橫中心軸線交點實踐證明,最優(yōu)化設(shè)計是保證產(chǎn)品具有優(yōu)良的較遠,將產(chǎn)生一些不良的后果。因為車體一般是置性能,減輕自重或減小體積,降低工程造價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)計方法。同時也可使設(shè)計者從大量繁瑣和體偏斜,在運行中不僅容易超過限界,或因各軸重重復(fù)的計算工作中解脫出來,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,并大大提高設(shè)計效率。相互耦合而使車輛運行性能惡化,所以重量分配是概括起來,最優(yōu)化設(shè)計工作包括以下兩部分內(nèi)總體設(shè)計中必須考慮的問題之一。
(1) 將設(shè)計問題的物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型。
建立數(shù)學(xué)模型是要選取設(shè)計變量,列出目標函數(shù),給出約束條件。目標函數(shù)是設(shè)計問題所要求的最優(yōu)指標與設(shè)計變量之間的函數(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)備重心在參考坐標系上的坐標。最后各設(shè)備重量對坐標軸取矩,若其代數(shù)和趨近零,說明重心在坐標原點。
(2) 采用適當?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) 下求目標變某些設(shè)備的安裝位置以達到重量分配的目的。設(shè)備重量,并應(yīng)以運用狀態(tài)的整備重量為準; xi、yi 為i個設(shè)備重心的坐標, 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室和客室的各電器柜內(nèi)。
司機室內(nèi)的操縱臺上設(shè)有車輛駕駛所必需的司機控制器、列車監(jiān)控系統(tǒng)(TMS) 顯示屏、列車自動保護(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
　　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)計變量的選擇在大連城市軌道3 號車輛的設(shè)計中,車上(地板面設(shè)計變量是能影響設(shè)計質(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)計中, 空調(diào)、受電弓等設(shè)備,這些設(shè)備在進行優(yōu)化計算時設(shè)計變量為各設(shè)備在平面直角坐標中的位置(設(shè)備設(shè)計變量不會改變,故不需要加入約束控制,在建重心的位置) :( xi,yi) ,i =1 , n 。立目標函數(shù)時只需將其按固定值代入即可。
(2) 目標函數(shù)的建立進行約束控制的主要是車輛底架下布置的設(shè)備。目標函數(shù)是以設(shè)計變量來表示設(shè)計所要追求圖3 為一設(shè)備位置與尺寸示意圖, (x,y) 為設(shè)備重的某種指標的解析表達式。本例中,需要兩個設(shè)計心在由車輛縱向中心線( x 軸) 與車輛橫向中心線指標都達到最優(yōu)值,如式(1) 、(2) ,屬于多目標函數(shù)( y軸) 形成的平面直角坐標系中的位置,( 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)一目標函數(shù),由于上述兩項設(shè)計指標在優(yōu)化設(shè)計中所占的重要程度相同,可用
均勻計權(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)計約束是對設(shè)計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), 而且變量個數(shù)適中(20 個左右),選用懲罰函數(shù)內(nèi)點法進行優(yōu)化計算。
(5) 計算結(jié)果的分析與處理
計算后必須對計算機輸出的計算結(jié)果進行仔細地分析、比較,檢查其合理性,以便得到一個符合工程實際的最優(yōu)設(shè)計方案。對于計算結(jié)果給出的設(shè)計變量值,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)計變量的值,應(yīng)用了著名的三維設(shè)計軟件Unigraphics 強大的繪圖及分析功能對計算結(jié)果進行了檢驗、分析,得到一個符合工程實際的最優(yōu)方案。在車輛整體落成后,通過稱重試驗檢測的結(jié)果也基本與優(yōu)化計算的結(jié)果相符合,達到設(shè)計要求。
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