1、机 电工程技术 2010 年第 39 卷第 07 期机电工程技术 年第 卷第 期动车组座椅底架结构分析及优化设计袁新杰（上海交运汽车精密冲压件有限公司 ， 上海 201709）收稿日期 ： 20100315摘要 ： 通过对动车组座椅底架的结构分析 ， 并构建简化的力学模型 ， 以底架纵梁的截面面积为目标函数 ， 最大挠度和强度为约束条件 ， 采用优化设计的方法 ， 找到满足挠度和强度要求时 ， 梁截面直径和壁厚的最佳取值点 。关键词 ： 底架 ； 优化设计 ； 目标函数 ； 挠度 ； 强度中图分类号 ： TH122 文献标识码 ： A 文章编号 ： 10099492 (2010) 070061
2、031 前言动车组座椅底架主要用以承载人体载荷 ， 并作为上部转架的回转支撑 ， 由铝合金型材和板材焊接而成 。 其中 ，三人座椅的底架较长 ， 且承受的载荷也大 ， 因此 ， 底架的挠度将直接影响其转动性能 ， 其合理的结构设计 ， 不但要满足底架有足够的刚度和强度 ， 而且能够用最简单的结构和最节省的材料 ， 达到产品的功能和强度要求 。 本文通过对其结构分析 ， 并运用优化设计的基本原理 ， 建立目标函数和约束条件 ， 求解材料最省的取值点 。2 底架结构特点分析底架结构见图 1， 它是由铝合金型材焊接而成 。 中间为回转支撑中心 ， 主要用以支撑转架上的人体重量和转架的回转中心 ， 左
3、右二侧有四个支撑小平面 ， 是支撑来自转架上的载荷 ， 转架上有三个座席 。 载荷通过底架的回转支撑板和支撑小平面 ， 传递给纵梁及支撑脚至车厢地面 ， 四个支撑脚与车厢地板连接 。根据底架结构的受力位置和支撑位置来看 ， 其结构布局是比较合理的 ， 主要是支撑点的跨度不大 ， 这样纵梁的挠度就会比较小 ， 有利于控制底架的变形及回转支撑板的平整度 ， 保持正常的回转功能 。3 问题的提出对图 1 所示结构 ， 在其支撑点 、 承载和结构形式均已确定的情况下 ， 如何使底架的纵梁 ， 在满足强度和刚度条件下 ， 选取纵梁断面的尺寸 ， 使所用材料最省 ， 这是结构强度设计时必须考虑的问题 。
4、有多种方法可以解决这一问题 ， 本文应用机械优化设计的方法 ， 对此提出一个解决方案 。 本文主要讨论圆环断面的外径及壁厚的最佳取值点 。4 优化设计首先根据产品结构 ， 构件简化的力学模型 ， 见图 2。通过对力学模型的分析 ， 即剪力 、 弯矩和挠度在纵梁上的分布情况 ， 以此找到纵梁上最大弯矩和挠度 ， 作为强度和1回转支撑板 2支撑小平面 3纵梁 4支撑脚图 1 底架结构图图 2 简化的力学模型图研究与开 发61机 电工程技术 2010 年第 39 卷第 07 期机电工程技术 年第 卷第 期挠度设计指标 。 按断面所用材料最省 ， 即断面面积最小为目标函数 ， 以满足强度和挠度指标为约
5、束条件 ， 建立优化设计的数学模型 ， 并运用优化设计的方法 ， 通过程序运算 ， 找到纵梁断面的外径和壁厚的最佳取值点 。41 力学分析为简化分析和计算表达式 ， 将加载情况分别计算 ， 然后再合并 。 即二个集中载荷 P 作用下梁的剪力 Q1、 弯矩M1及挠度 f1， 一个均布载荷 q 作用下梁的剪力 Q2、 弯矩M2及挠度 f2， 其力学模型见图 2， 载荷 P 和载荷 q 作用下的变形 、 及剪力图和弯矩图分别见图 3、 图 4， 梁的截面见图 5。从图 3、 图 4 可知 ， 梁的中点剪力为零 ， 弯矩 MM1M2。M1 Pl1M2ql32（l2l32）M M1M2 Pl1ql32（
6、l2l32） （1）材料的截面模量 ：W 32D（D4d4）最大弯曲应力 ：maxMWM32D （D4d4）最大挠度 ：fmax f1maxf2maxf1max Pl1 （2l2l3）28EIf2maxql3 （l2l1）3384EI（8423） l3l2l1I 64（D4d4）fmax f1maxf2max Pl1l228EIql3 （l2l1）2384EI（2）42 数学模型梁的长度为定值时 ， 从式 （2） 中可知 ， 挠度 f 是圆截面外径 D 和圆截面内径 d 的函数 ， 即 D 和 d 为设计变量 ，因此 ， 可用下式表示 ：X x1， x2T D， dT目标函数为 ：F （x）
7、4（D2d2） 4（x12x22） （3）边界约束条件为 ：g1（x） x10，g2（x） x20，g3（x） x1x20。强度约束条件为 ：g4（x） max10，设允许最大挠度为 15 时 ， 则刚度约束条件为 ：g5（x） 15fmax10，因此 ， 优化设计的数学模型可归结为 ：设计变量 X x1， x2T，使目标函数F （x） 4（x12x22）最小 ， 且满足上述约束条件 。43 计算方法及结果这是一个二维非线型约束优化问题 ， 应用拉格朗日乘子法 ， 引入松驰变量 xi， 使不等式约束变换为等式约束 。图 5 纵梁断面图图 3 P 作用时剪力和弯矩图图 4 q 作用时剪力和弯矩图
8、研 究与开发62机 电工程技术 2010 年第 39 卷第 07 期机电工程技术 年第 卷第 期构造拉格朗日函数 ：L （X， ） f （X） mk 1kgk （X），此函数为极小的必要条件 ：Lxi 0， i1， 2， n，Lxk 0， k1， 2， m，为便于在计算机上利用直接寻优方法进行迭代计算 ，引入新函数 ：Z ni 1Lxi 2mk 1 gk （X）2，使有约束问题转化为无约束问题 ， 可利用无约束多变量函数的寻优方法对函数 Z 求极小值 。 本文用单纯形加速法求解 ， 程序框图见图 6。对上述不等式约束引入松弛变量 x32、 x42、 x52、 x62， 使其转变为下列等式约束g
9、1（x） x1x32 0，g2（x） x2x42 0，g3（x） x1x2 0，g4（x） max1x52 0，g5（x） 15fmax1x62 0。取 P800N， ql3800N， E714104Nmm2， 245Nmm2， l142mm， l2220mm， l3260mm， l3l2l12607000371其中 ：maxMWM32D （D4d4）M32x1 （x12x22），M M1M2 Pl1ql32（l2l32），fmax f1maxf2max Pl1l228EIql3 （l2l1）2384EI，将数据代入 ： g4（x）， g5（x） 得到下式 ：g4（x） max1x522261
10、04 （x14x24）x141x52 0，g5（x） 15fmax1x62 1591106（x14x24）1x62 0。选取初始点X x1（0）， x2（0）T 4030T，压缩因子 075， 加大因子 2， 初始步长 h2， 收敛精度 0001。目标函数和等式约束条件的维数 N07，等式约束条件的个数 M05，计算结果如图 7 所示 。5 结论（1） 优化结果与底架纵梁的实际壁厚数据比较接近 。（2） 实际使用中考虑稳定性和工艺性 ， 应适当增加壁厚 。（3） 简化力学模型计算 ， 因此结论数据偏保守 。（4） 可推广应用于其它结构形式底架的优化设计 。参考文献 ：1 孙全颖 ， 赖一楠 ，
11、 白清顺 机械优化设计 M 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学出版社 ， 20072 刘惟信 ， 孟嗣宗 机械最优化设计 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 19863 成大先 机械设计手册 （第四版 ） M 北京 ： 化学工业出版社 ， 2002作者简介 ： 袁新杰 ， 男 ， 1957 年生 ， 浙江镇海人 ， 大学本科 ， 高级工程师 。 研究领域 ： 动车组座椅 。 (编辑 ：向 飞 )图 6 单纯形法程序框图图 7 计算结果研究与开 发63194EngineeringCo.,Ltd,Tianjin300451,China)(1.WeatherModificationOfficeofXinjia
12、ngUygurAutonomousRegion,Urumchi830002,China;2.CollegeofTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)(1.Zhongshanpolytechnic,Zhongshan528404,China;2.GuangdongBaijia-BaiterIndustrialCo.,Ltd,Zhongshan528421,China)(AnhuiForkliftTruckGroupCompany,Hefei230022,China)(1.Dept.ofMecha
13、nicalEngineering,GuangdongVocationalCollegeofIndustryandCommerce,Guangzhou5105102,China;2.BeijingE-TECHTechnologyCo.,Ltd,Guangzhou510620,China)(SchoolofMechatronicsEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450015,China)(GuangzhouAutoCollegeSouthChinaUniversityofTechnolo
14、gy,Guangzhou510800,China)(GuangzhouResearchInstituteofNon-ferrousMetals,Guangzhou510655,China)(ShanghaiJiaoyunAutomobileFineBlankingPartsCo.,Ltd,Shanghai201709,China)(1.GuangdongScienceCentre,Guangzhou510006,China;2.CollegeofTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)gAbst
15、ract:Keywords:WEIXu-hui,LUWei-dong,YOUFengAbstract:Keywords:HEJia-bing,KANGMing-jun,WANGXiao-pingAbstract:Keywords:MAQing-feng,GELin-li,WANGYong-guo,LIUBingAbstract:Keywords:XUYong-jun,ZHOUHua-dongAbstract:Keywords:SUYan-pinAbstract:Keywords:ZHANGChun-huaAbstract:Keywords:YAOXiao-hanAbstract:Keyword
16、s:YUANXin-jieAbstract:Keywords:YAOQiang,YOUFeng,XUJian-min,WANGShao-mengAbstract:Intheprocessofpipelayingoperations,shallowwaterpipelayingvesselrequirestowalkalongapreestablishedpath,andtoadjusttheaccelerationanddeceleration,travelingspeed,walkingdirectiontimelycombinedwithpipelayingtechnology,there
17、fore,wedistributedseveralwindlassinthebowdeckandsterncabinoftheshallowwaterpipelayingvesseltorealizewalkingandstoppingofthepipelayingvesselbycontrollingthewindlassswireropedeployingandretractingspeed.Inordertodeployingandretractingwireropefreely,weconfigedcompletebrakingsystemoneverywindlass,includi
18、nghighspeedbrake,variablespeedbrake,lowspeedbrake,dampingbrake,parkingandsoon,withtheinteroperateofeachother,theycanmeetthebrakingfunctiondemandofheavywindlass.pipelayingvessel;windlass;brakesystemOnboardX-bandWeatherRadar(OXWR)isoneoftheimportantequipmentforemergencyeserviceinBureauofMeteorologyofX
19、injiang.Accordingtoinstallationconditions,structureofOXWRantenna,liftingheightandperformancerequirements,dedicatedliftingsystemofOXWRAntennawasdevelopedbycombiningthemodularizeddesign.Thesystemwascomposedofmountedplatform,trackingframe,roller,cylinderandothercomponents.Systemrunningstabilitywasguara
20、nteedbysynchronouscontrolmethodandantennacouldbeinstalledquicklyincaseofweatheremergencyprecautions.weatherradar;antenna;liftingsystem;modularizeddesign;synchronouscontrolPaperintroducesasmallBanknoteSort-Counterdevelopment,characterizedadditiontogeneralintelligentBanknoteCounterfunctions,alsohasCur
21、rencySorting,denominationssorting,towardsorientedSorting,mixedcountandamountaccumulativefunctionsuitablemanyoccasionsuse.banknotesort-counter;mixedcount;totalamountThispaperintroducestheworkingprocessandthestructurecharacteristicofthewetclutch,andhascarriedonthedesigntoitsmainparameters.Thereliabili
22、tyofthedesignwasconfirmedbytheactualstatusoftheexperiments.wetclutch;frictiondisc;parameter;designInthispaper,itwastoldhowtointegraldesignofthemouldandelectrodebasedonPro/E.Themethodofdesignwasexplainedbymeansoftheexample.Theirrespectiveadaptivefieldswerepointedout.Pro/E;mould;electrodedesignThisart
23、iclegivesanewfaultdiagnosisinformationacquiringmethodbasedontheantcolonyalgorithm.Bybuildinganappropriatemodel,thefaultlocationinPowerElectronicCircuitsbasedonthefaultovercurrentsistransformedintoaTSPproblem.Anditcanbesolvedbyusingantcolonyalgorithmthroughfullylearningtheadvantagesofgeneticalgorithm
24、.Simulationresultsshowthatthismethodisfeasibleandeffectiveduringfaultdiagnosing.antcolonyalgorithm;near-neighborhoodcriteria;faultdiagnosis;faultidentificationThestudyaboutautomotivecoatingandpolymermaterialsproductsagingproperties,includingappearancechanges,mechanicalpropertieschangesandotherproper
25、tiesareintroducedbriefly.Especially,thecommonappearancechangesaredescribedindetail.agingproperties;color;gloss;appearance;mechanicalpropertiesAgainsttotheno-linearproblemappearinginthefieldofthemagneticforce,thispaperdesignsadifferencestructurebaseonthemagnetinordertogetthelinearmagneticforce.Someth
26、eoryexpressionsaredevelopedtocalculatethelinearmagneticforce.Anexperimentiscarriedouttosolvethekeyparameterwhichisprovedbytheleast-squaresprocedure.Anotherexperimenttovalidatetheexpressionsofthelinearmagneticforceisdesigned.Thereisonly2%errorintheresultsbetweenexperimentandthetheory.Theconclusionind
27、icatesthattheexperimentresultisagreedwiththetheoryresult.Thusthedifferencestructureforlinearmagneticforceissignificative.linearmagneticforce;differencestructure;least-squaresprocedureByEMUseatchassisstructuralanalysis,andbuildasimplifiedmechanicalmodel,toandusethecross-sectional areaoflongitudinalbe
28、amchassisastheobjectivefunction,maximumdeflectionandintensityofconstraints,usingoptimaldesignmethod,tofindthedeflectionandstrengthtomeettherequirementswhenthebeamdiameterandwallthicknessofthebestdatapointsfindbestdatapointsofbeamdiameterandwallthicknesswhendeflectionandstrengthtomeettherequirementsc
29、hassis;optimizingthedesign;theobjectivefunction;deflection;strengthGuangdongScienceCentreconstructedinteractivehardwarein-loopsimulationsystemforintelligenttransport.ThesystemdemonstratedthetypicalachievementsandapplicationsofthefieldofITS,withthetopicof“thinkingoffuturetrafficdevelopmentandstimulat
30、ionofscienceandtechnologycreativityabilities”.Thefunctionsofdemonstrationincludethedynamicguidance,trafficinformationservice,ETC,parkingguidance,dedicatedshortrangecommunicationandsoon.Thefunctionsandrealizationprocessofsystemwasintroducedindetail.11212212122210-07-43DesignandRealizationofLiftingSys
31、temforOnboardX-BandWeatherRadarAntenna10-07-46ASmallBanknoteSort-CounterDevelopment10-07-48DesignandResearchofWetClutchforTowing-Tractor10-07-52IntegralDesignoftheMouldandElectrodeBasedonPro/E10-07-54FaultDiagnosisofPowerElectronicCircuitsBasedonAntColonyAlgorithm10-07-57TheEvaluationMethodforAutomotiveCoatingandPolymerMaterialsProductAgingProperties10-07-59AnalysisoftheLinearMagneticForceinDifferenceStructureandExperiment10-07-61EMUSeatChassisStructuralAnalysisandOptimumDesign10-07-64StudyonInteractiveHardwareIn-LoopSimulationSystemforIntelligentTransportAbstracts
