[发明专利]一种轨枕综合优化设计方法

说明书

本发明公开了一种轨枕综合优化设计方法，涉及铁路运输领域，包括以下步骤：A：进行综合仿真实验，运用灰色关联法选择最优的轨枕质量与使整体轨道结构动力学响应最低的轨道结构参数；B：以参数优化区间作为变量区间，以步骤A中给出的轨枕设计的约束条件求得轨枕的详细尺寸；C：将步骤B中得到的详细尺寸返回到步骤A中，判断本次输出质量与上次输出质量是否完全相同，若不完全相同，则重复步骤B和步骤C，直到输出完全相同的质量和配套刚度值。本发明以质量作为静载设计优化和动力学优化的纽带，并最终给出以特定轨枕质量下的详细尺寸与在特定轨枕质量下能使动力学响应最优的轨道结构参数，将局部需求和全局最优结合到一起。

技术领域

本发明涉及铁路运输领域，尤其是一种优化的轨枕设计方法。

背景技术

轨枕在轨道中起到承上启下的作用，轨枕具备支撑钢轨、保持轨距和方向以及将钢轨对它施加的各向压力传递到道床上的作用。但是在车辆轴重和货运密度逐步增加的情况下会导致轨枕承载能力不足而发生损坏，具体表现为轴重过大造成枕中负弯矩过大从而使轨枕跨中位置产生纵向裂缝，同时轨道的纵向传递的力过大导致轨枕从螺栓部位产生横向裂缝，这些缩短了轨枕的使用寿命，增加了运营维护成本，并大大降低了轨道运输的安全性。与此同时，轨枕作为轨道的部件，与轨道其他部件的匹配也是极为重要的。目前铁路运输的行车速度和运载重量不断提高，导致车辆和轨道之间的动态作用加强，一方面对轨道的结构破坏加剧，另一方面在结构破坏后的轨道结构对行车产生一种不平顺激励，导致车辆的运行平稳性和安全性降低。合理的轨道刚度匹配会大大降低车辆和轨道之间的动态作用，保持轨道的几何形位，加强车辆的平稳性和安全性。

至此，有许多学者针对轨枕受到损坏的情况下提出了各种轨枕优化设计的思路与方法，这些优化设计思路大致无外乎两种，一种是单从轨枕满足承载力方面进行的优化设计，利用有限元仿真软件去优化设计出满足承载力要求的轨枕。第二种是在已知肯定满足承载力的情况下从轨道的动力学响应出发进行轨枕的优化设计，利用动力学仿真软件去优化设计出令轨道动力学响应综合值最小的轨枕。但是两种方式都没有将动力学优化和静载承载能力计算设计完美结合到一起。

从《车辆-轨道耦合动力学》中，车辆-轨道耦合动力学方程可表示成如下统一形式，而轨枕质量作为车辆-轨道系统中的参振质量之一，具有不可忽视的作用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种轨枕综合优化设计方法。本发明综合考虑了静载承载能力设计和轨道的动力学响应优化，以质量作为静载设计优化和动力学优化的纽带，并最终给出以特定轨枕质量下的详细尺寸与在特定轨枕质量下能使动力学响应最优的轨道结构参数能使整体轨道结构的动力学响应最优并且承载能力能够满足使用要求，将局部个体需求和全局最优设计结合到一起。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种轨枕综合优化设计方法，包括以下步骤：

步骤A：将轨枕质量和轨道结构参数作为变量进行综合仿真实验；运用正交抽样的方法确定动力学仿真实验方案，设置动力学响应指标参数，设置优化的约束条件，运用灰色关联法进行目标函数的设置进而选择最优的轨枕质量与使整体轨道结构动力学响应最低的轨道结构参数；

步骤B：确定轨枕长度、轨枕底面宽度、轨枕顶面宽度和轨枕高度的优化区间，以上述条件的优化区间作为变量区间，以步骤A中给出的轨枕质量、轨枕轨下和枕中的弯矩要求作为轨枕设计的约束条件，求得最大轨枕承载能力作为目标函数，寻找出此种质量下的最大承载能力的轨枕大致尺寸，再根据轨枕结构的几何连续性、质量约束和有限元计算轨枕局部应力分析从而得到轨枕的详细尺寸；