一种基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法及典型结构与流程

本发明属于铁路车辆设计，尤其属于铁路车辆转向架设计，具体涉及一种基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法及典型结构。

背景技术：

1、我国是铁路货物运输大国，铁路货运是维持国民经济发展的大动脉，其具有运输能力强、运输效率高、能源消耗少和环境污染小等优点。根据当前轨道装备技术发展趋势，铁路货运朝着大载重、大运量的方向发展。在无法大幅提升既有线路承载能力的情况下，“多拉”是实现大运量的重要手段之一。

2、为进一步发挥车辆运输效能，轻量化设计已然成为铁路货车设计的主流发展方向。作为铁路货车的走行部-转向架的轻量化设计自然成为重点之一。摇枕作为走行部位的关键承载部件，其自重在转向架中占比较高。目前国内主流铁路货车铸钢三大件式货车转向架摇枕设计以预留过大的安全系数来换取运行安全，造成了摇枕自重过大、制造成本增加；同时现行摇枕结构设计多采用传统经验式的反复调整优化形式而成，虽能设计出满足要求的摇枕产品，但仍旧存在材料分布不均或过度堆积，与产品设计“等寿命”原则尚有一定差距，同时所设计的摇枕也具有应力分布不均、材料浪费等问题。

3、基于目前铸钢三大件式转向架成熟结构，常规摇枕结构主要由斜楔槽、外侧腹板、旁承盒下部工艺孔、外侧腹板与中间隔板横向连接板、中间隔板、中间隔板工艺孔、中部工艺孔、外侧腹板与中间隔板中心连接板、底板、斜楔槽支撑筋、旁承座加强筋、旁承盒、中间隔板横向连接板ⅰ、中间隔板横向连接板ⅱ、下心盘及吊装工艺孔等部分组成。图1为常规摇枕整体结构示意图。

4、现有技术的铁路货车转向架摇枕结构由于过大的安全系数，导致摇枕应力分布不均、自重过大，同时也带来了摇枕制造成本的上升，一定程度上影响了铁路货车的运输经济性。因此，针对现有摇枕的不足，对其整体开展拓扑优化设计，在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的传力路径，充分释放局部过大应力，使其传力“通畅”，从而达到降低应力、减轻自重，从而进一步提升铁路运输装备效益最大化，具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有铁路货车转向架摇枕自重过大、影响运输效率提升的不足，公开了一种基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法及典型结构。

2、本发明通过一下技术方案实现：

3、一种基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法，摇枕结构主要包括：斜楔槽、外侧腹板、旁承盒下部工艺孔、外侧腹板与中间隔板横向连接板、中间隔板、中间隔板工艺孔、中部工艺孔、外侧腹板与中间隔板中心连接板、底板、旁承盒、中间隔板横向连接板ⅱ、下心盘、吊装工艺孔及旁承盒下中间隔板工艺孔等部分组成。

4、其优化设计方法包括以下步骤：

5、一是根据既有转向架结构配置的要求，采用常用的铸钢摇枕设计方法，确定摇枕整体轮廓形状和结构参数尺寸，作为优化前的初始摇枕模型。

6、二是采用有限元数值分析计算方法，对初始摇枕模型进行结构离散，并结合摇枕现行考核标准和实际运用过程中的载荷服役工况确定边界条件。

7、三是对初始摇枕设计区域进行结构填充，在此区域内以单元密度为设计变量，以柔度最小化为目标函数，以体积分数为约束条件，以降低摇枕自重为优化目标。

8、四是利用有限元分析软件对上述优化目标和设计变量下的摇枕进行优化分析。结合分析结果，同时考虑现行制造工艺技术，对摇枕局部位置进行开孔、扩孔、删减设计以及内部结构的优化设计，最后得到初步设计完成的摇枕结构。

9、五是根据现行考核标准要求，对初步设计完成的摇枕结构开展静强度、静载荷及疲劳强度校核。依据校核结果，对初步设计的摇枕结构是否调整，以期获得更优的传力结构、应力分布更合理。

10、通过以上5步骤即完成摇枕的拓扑优化设计过程。

11、由于既有转向架结构配置的要求，受相邻部件空间位置的限制，在拓扑优化设计过程中，摇枕外形轮廓及结构参数尺寸须始终保持一致。

12、根据以上步骤实施，得到的本发明的摇枕典型结构：

13、摇枕旁承盒下部工艺孔采用不规则的类似“三角形”结构的大工艺孔，能够更好的传递载荷，改善旁承载荷下的受力状态。

14、优选的，摇枕旁承盒下部工艺孔与中部工艺孔连通形成一个不规则的类似三角形结构的大工艺孔。

15、摇枕外侧腹板与中间隔板连接板采用与外侧腹板中部工艺孔圆角处随形结构，不再使用常规的垂直连接板，优化了传力结构，改善了受力状态。

16、摇枕中间隔板在底板中心采用与底板不连接的断开结构，并采用类似三角形的结构，并与中间隔板过渡连接。

17、摇枕外侧腹板与中间隔板中心连接板采用与顶部连接下心盘、与底板和中间隔板不连接的结构。

18、摇枕斜楔槽不再采用支撑筋结构。

19、摇枕旁承座不再采用加强筋结构。

20、摇枕中间隔板横向连接板采用类似“l”型、并与中间隔板工艺孔圆角处随型结构。

21、摇枕旁承盒下中间隔板设置不规则圆形孔。

22、本发明具有以下有益性：

23、本发明得到了某轴重摇枕拓扑优化结构。根据该设计方法可实现：优化摇枕承载结构，进一步提升其承载能力，并确保摇枕静载荷、静强度及疲劳强度等性能；降低摇枕自重，间接提升铁路货车运输经济性。包括：

24、一是摇枕作为铁路货车转向架关键承载部件，将拓扑优化技术与铁路货车铸钢件融合，得到了摇枕最佳的传力结构，改善了摇枕结构应力分布，提升了摇枕承载能力。

25、二是采用拓扑优化技术，对摇枕各部位进行结构设计和开孔、扩孔及删减设计，在确保摇枕承载能力的同时，降低摇枕自重，实现轻量化设计，间接提升铁路货车运输经济性。

26、三是该设计方法可对不同轴重、不同转向架结构配置的摇枕开展拓扑优化设计，也适应于其余结构的关键承载部件的优化设计，具有通用性和普遍性，可为铁路运输装备轻量化设计提供一个发展方向。

技术特征：

1.一种基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法，摇枕结构包括：斜楔槽、外侧腹板、旁承盒下部工艺孔、外侧腹板与中间隔板横向连接板、中间隔板、中间隔板工艺孔、中部工艺孔、外侧腹板与中间隔板中心连接板、底板、旁承盒、中间隔板横向连接板ⅱ、下心盘、吊装工艺孔及旁承盒下中间隔板工艺孔；

2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法设计获得的摇枕典型结构，其特征在于：摇枕旁承盒下部工艺孔采用类似三角形结构大工艺孔。

3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法设计获得的摇枕典型结构，其特征在于：摇枕旁承盒下部工艺孔与中部工艺孔连通形成一个类似三角形结构的大工艺孔。

4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法设计获得的摇枕典型结构，其特征在于：摇枕外侧腹板与中间隔板连接板采用与外侧腹板中部工艺孔圆角处随形结构，取消常规的垂直连接板。

5.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法设计获得的摇枕典型结构，其特征在于：摇枕中间隔板在底板中心采用与底板不连接的断开结构，并采用类似三角形的结构，并与中间隔板过渡连接。

6.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法设计获得的摇枕典型结构，其特征在于：摇枕外侧腹板与中间隔板中心连接板采用与顶部连接下心盘、与底板和中间隔板不连接的结构。

7.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法设计获得的摇枕典型结构，其特征在于：摇枕斜楔槽取消支撑筋结构。

8.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法设计获得的摇枕典型结构，其特征在于：摇枕旁承座取消加强筋结构。

9.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法设计获得的摇枕典型结构，其特征在于：摇枕中间隔板横向连接板采用类似“l”型、并与中间隔板工艺孔圆角处随型结构。

10.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法设计获得的摇枕典型结构，其特征在于：摇枕旁承盒下中间隔板设置不规则圆形孔。

技术总结本发明公开了一种基于拓扑优化的铁路货车铸钢摇枕优化设计方法及典型结构，包括：确定初始摇枕模型，确定边界条件，对初始摇枕进行结构填充，利用有限元分析软件进行优化分析，对摇枕局部位置进行开孔、扩孔、删减设计以及内部结构的优化设计，得到初步设计的摇枕结构后进行静强度、静载荷及疲劳强度校核；本发明采用SIMP法，以单元相对密度为设计变量，以结构最小柔度为目标，以体积分数为约束条件进行连续性拓扑优化；采用仿真软件计算迭代，通过对设计空间中的目标值的单元密度进行选取，结合目前工艺制造可行性，最终得到最优的摇枕构型，提升其承载能力，并确保摇枕静载荷、静强度及疲劳强度等性能；降低摇枕自重，提升铁路货车运输经济性。技术研发人员：张光才,罗汉江,吴畅,祝笈,王云贵,张锐,冯成礼,廖军,敬宣萱,袁杰受保护的技术使用者：中车眉山车辆有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/16