[发明专利]一种S型辐板车轮优化设计方法

说明书

本发明涉及一种S型辐板车轮优化设计方法，其步骤为：S1、确定载荷工况为直线工况、曲线工况、道岔工况、直线制动工况和曲线制动工况；S2、确定车轮性能指标为车轮静强度等效应力、多轴疲劳强度、制动热载荷和车轮质量；S3、对车轮进行参数化建模并确定设计变量、约束条件和目标函数；S4、将车轮静强度等效应力、制动热载荷和车轮质量作为输入函数，编写参数化模型和优化算法的语言程序，通过程序进行优化分析，获取最优解，完成S型辐板车轮的优化设计。本发明大大降低S型辐板设计时的工作量，保证在强度指标优异的前提下实现轻量化，降低车轮成本，降低车辆簧下质量，使车辆轮轨动态性能更优异，为S型辐板车轮设计提供精确优化的工具。

技术领域

本发明属于轨道车辆技术领域，涉及轨道车辆车轮技术，具体地说，涉及一种S型辐板车轮优化设计方法。

背景技术

车轮的结构几何形状是影响其动态性能和结构强度可靠性的主要因素。在车轮结构设计中，轮毂和轮辋区域的结构几何形状由其运用条件所决定，设计时几乎不改变其参数，对车轮的形状优化主要基于车轮的运行工况改变车轮辐板和轮毂、轮辋的交点位置以及辐板几何形状，实现车轮工作应力和疲劳强度最优化。

S型辐板车轮在实际运用该过程中工况复杂。一方面，车轮承受轮轨力随工况变化而变化，多工况变化产生的交变应力是影响车轮疲劳强度的因素。另一方面，车轮采用踏面制动，热负荷和机械载荷联合作用是车轮辐板产生高应力的主要因素。故车轮优化目标急要考虑车轮疲劳度，又要考虑车轮在机械载荷和热负荷综合作用下的最大应力是否满足强度的要求。

影响车轮性能的参数较多，辐板形状就是重要因素之一。辐板形状应能使其应力分布均匀，轴向刚度和热承载能力提高。车轮S型辐板为多段圆弧组成，以往设计车轮S型辐板时多采用试算方法，即根据确定车轮轮毂、轮辋的结构尺寸，试画几个辐板形状，计算其强度性能指标，然后依据经验进行车轮S型辐板参数的调整。一方面S型辐板参数是多圆弧组成的形状，参数较多，可优化的参数也较多，逐一改变单一参数未必能找到最优解；另一方面S型辐板车轮的性能指标需要考虑车轮质量、静强度、制动热负荷、多轴疲劳强度等综合性能，制动热负荷计算需要考虑热构耦合仿真计算，多轴疲劳强度需要多几个工况下进行应力分量投影算法利用有限元软件ANSYS和MATLAB进行联合仿真计算，很难通过优化某一个参数使这些性能指标同时达到最优状态。因此，对于这种多参数、多约束、多目标函数的问题，通过单纯的试算优选方法进行优化，不仅工作量大，车轮设计困难，且设计方案难以达到理想值。

发明内容

本发明针对现有S型辐板车轮优化存在的车轮设计困难、设计方案难以达到理想值等上述问题，提供了一种S型辐板车轮优化设计方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种S型辐板车轮优化设计方法，含有以下步骤：

S1、确定载荷工况

参考国内外车轮强度评定准则相关标准，确定载荷工况为直线工况、曲线工况、道岔工况、直线制动工况和曲线制动工况；

S2、确定车轮性能指标为车轮静强度等效应力、多轴疲劳强度、制动热载荷和车轮质量；

S3、对车轮进行参数化建模并确定设计变量、约束条件和目标函数；建模的具体过程为：根据辐板的左上圆弧角度jiaodu1、左下圆弧角度jiaodu2、右上圆弧角度jiaodu3、右下圆弧角度jiaodu4画出4条直线，然后根据右上半径RSR、左上半径LSR和左侧x轴方向横向位置Lx、左侧y轴方向纵向位置Ly画出两个圆，再根据右上直径RSDR、左上直径LSDR作出与上面两个圆和斜线的两个公切圆，想成靠近轮辋的辐板轮廓；根据左侧X1轴方向横向位置LX1和左下直径LXDR画圆，并利用左下半径LXR画出内侧中部的公切圆形成辐板内侧轮廓；利用右下直径RXDR和右侧X1轴方向横向位置RX1画圆，然后画出此圆与右上半径RSR圆弧的公切圆，去掉不需要的直线和圆弧，形成整个辐板轮廓；

所述设计变量为车轮S辐板的结构尺寸参数；