[发明专利]基于响应面建模和改进粒子群算法的车轮型面优化方法

说明书

本发明公开了一种基于响应面建模和改进粒子群算法的车轮型面优化方法。该方法为：选择车轮型面优化区域各个曲线段的权因子和移动控制点的纵坐标，作为设计变量；构建目标函数：选择列车运行时的车轮轮缘磨耗、轮轨横向力和轮轨的最大接触应力，作为目标函数；选择与列车平稳性、安全性、磨耗指数、轮轨横向力相关的车辆动力学性能指标和车轮外形相关的几何尺寸参数，作为车轮型面曲线优化的约束函数，建立车轮型面的多目标优化模型；采用多项式响应面方法对车轮型面的多目标优化模型进行拟合优化；采用改进的粒子群算法对拟合的模型进行优化求解。本发明减少了列车轮对的磨耗，延长了列车轮对的使用生命周期。

技术领域

本发明属于交通安全工程技术领域，特别是一种基于响应面建模和改进粒子群算法的车轮型面优化方法。

背景技术

列车的发展十分迅速，降低运营成本变得更加重要。轮对型面优化，是在轮对的全生命周期中降低成本最有效的方式，通过改变轮对型面使其更加适合该条线路的运行环境，从而减少磨耗，降低轮对全生命周期的运营成本。目前主要有的方法有：1)成棣(成棣,车轮型面多目标优化设计研究[D],中国铁道科学研究院,2011.)提出基于响应面方法的车轮型面多目标优化模型，对比分析基于多项式响应面和基于高斯径向基函数响应面两种方法，验证表明：基于高斯径向基函数响应面的方法具有收敛速度快和计算量小的优点，更适于车轮型面优化设计；2)张剑等(张剑,温泽峰,孙丽萍,et al.基于钢轨型面扩展法的车轮型面设计[J].机械工程学报,2008,44(3):44-9.)在Leary及Wu等人提出的利用钢轨型面扩展法上的基础进行型面优化，提出一种根据我国钢轨外形进行车轮型面优化的方法，发展了Shevtsov等人提出的基于轮对滚动圆半径差为目标函数的车轮型面数值优化模型，理论分析表明：新设计型面能够有效改善车轮对钢轨的受力状态，提高了轮轨的匹配性能；3)林凤涛(林凤涛.高速地铁车辆车轮磨耗及型面优化研究[D].中国铁道科学研究院,2014.)在基于三次NURBS曲线理论和通过改进的粒子群算法求解低磨耗型面多目标优化模型，设计变量选用车轮型面中20个控制顶点的纵坐标，目标函数为降低导向轮对累计磨耗功和轮轨横向力最小，同时满足磨耗型车轮型面的几何条件和安全特性指标约束条件，并对优化的车轮型面进行动力学分析验证。

从以上的文献的可知，现有大多数研究只能对由圆弧和线段组成的车轮踏面部分进行优化设计，没有对列车的直线运行、车轮轮缘部分的优化，不利于对由踏面和轮缘组成的整个车轮型面的优化设计；并且直接用算法对建立的模型求解过程繁琐，效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于响应面建模和改进粒子群算法的车轮型面优化方法，以减少列车轮对的磨耗，延长列车轮对的使用生命周期。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于响应面建模和改进粒子群算法的车轮型面优化方法，包括以下步骤：

步骤1，确定设计变量：选择车轮型面优化区域各个曲线段的权因子和移动控制点的纵坐标，作为设计变量；

步骤2，构建目标函数：选择列车运行时的车轮轮缘磨耗、轮轨横向力和轮轨的最大接触应力，作为目标函数；

步骤3，建立约束函数：选择与列车平稳性、安全性、磨耗指数、轮轨横向力相关的车辆动力学性能指标和车轮外形相关的几何尺寸参数，作为车轮型面曲线优化的约束函数，建立车轮型面的多目标优化模型；

步骤4，模型优化：采用多项式响应面方法对车轮型面的多目标优化模型进行拟合优化；

步骤5，模型求解：采用改进的粒子群算法对拟合的模型进行优化求解。

进一步地，步骤2所述的构建目标函数：选择列车运行时的车轮轮缘磨耗、轮轨横向力和轮轨的最大接触应力，作为目标函数，具体如下：

车轮轮缘磨耗的目标函数f₁定义为：