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1、2012 年 会论文集 高速动车组受电弓导流罩多学科优化设计 李明1，李国清，刘东亮，孔繁冰，韩璐 （唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心） 赖宇阳 （北京树优信息技术有限公司 张伟 （达索析统公司） 摘 要： 受电弓导流罩是改善高速动车组气动性能的重要部件。为降低高速动车组受电弓导流罩区域的气动阻力， 基于 验设计方法对优化空间均匀采样， 进行了涉及气动性能、结构强度等性能指标的多学科优化设计，然后借助多目标优化遗传算法 立近似模型，寻求气动阻力、结构强度综合性能最佳的导流罩结构。结果表明，最佳受电弓导流罩方案的气动阻力相比初始方案降低 2%，同时压力、变形满足设计要求。 关键字： 优化
2、，受电弓导流罩，阻力 of i u (P&To.,3#d.,63035） is an of of In to of on OE in as of of of % to of 作者简介： 李明， 男， 工学博士学位， 工程师， 多学科优化及空气动力学方面研究。 联系电话： 15933150982，2012 年 会论文集 1 前言 随着列车运行速度的提高，列车与空气间的相互作用加剧，气动阻力随列车运行速度的平方增加，而所需功率随速度的立方增加1。因此，人们开始追求流线型的列车整体外形设计。列车的整体流线型设计可分为车身的基础形状选型、整体流线型设计和局部优化设计 3个阶段。前 2 个阶段往往在新车
3、型设计前期发挥重要作用；而局部优化设计阶段则是在保证车体整体造型风格不变的前提下，对车体的局部细节进行优化设计，在设计后期发挥至关重要的作用2。本文研究的受电弓导流罩的优化设计即列车车身局部优化设计的关键环节之一。 通过 现仿真分析流程自动化和多学科多目标优化，它提供了可视化的灵活的仿真流程搭建平台，提供与多种 析工具的专用接口，同时提供了包括试验设计和优化分析方法，近似模型和六西格玛设计方法等一套完整的优化软件包。利用此工具，用户以拖拽的方式即可快速建立可视化的仿真分析流程，通过设定和修改设计变量以及设计目标，自动进行多次分析循环，通过对比分析设计变量与产品之间的关系，深入挖掘产品性能及优化
4、空间3。同时，通过网格变形软件 结构有限元模型和流体 型进行统一的参数化建模，实现不同结构方案的网格一致性。 本文旨在通过多学科、多目标优化技术，对受电弓导流罩进行减阻优化设计，通过结构强度和气动性能等综合指标优选最佳导流罩结构方案。 本文的研究方法为动车组的局部优化提供了一种科学、严谨的优化设计方法，对动车组设计水平的提升有积极的促进作用。 2 研究思路 受电弓导流罩的计算模型如图 1 所示。作为受电弓及导流罩环境的综合体，本模型存在以下矛盾： (1) 导流罩高度若增加，则受电弓阻力下降、导流罩阻力增加，两者总体阻力增加或降低需要权衡； (2) 导流罩坡度若变缓，则受电弓阻力增加，导流罩阻力
5、下降，两者总体阻力增加或降低需要权衡，也存在一种最优平衡位置； (3) 气动载荷同时影响结构强度，导流罩需要兼顾气动和结构耦合场之间的相互影响。 图 1 受电弓导流罩的计算模型 因此，本文的受电弓导流罩优化问题主要归结为空气动力学和结构强度问题，因此涉及优化软件 流体分析软件（ 、结构分析软件（ 接口、流体和结构网格模型的参数化等方面的问题。 本文利用网格变形软件 结构模型和流体模型进行参数化建模，实现不同结构方案的网格一致性。 通过对高速动车组受电弓导流罩进行分析以及结合列车实际设计情况，确定多学科、多目标优化方案如表 1 所示。 表 1 受电弓导流罩多学科多目标优化方案 2012 年 会论
6、文集 优化目标 约束条件 导流罩高度变化 导流罩前展度变化 导流罩厚度 F(x) = (应力 30650 50(相对初始设计的高度 )50 50(相对初始设计的前展度度 )310 优化设计及结果分析 学科优化设计流程 本文基于 件建立高速动车组受电弓导流罩优化设计的工作流程。利用实验设计法对优化空间进行均匀采样，基于近似模型的多目标优化遗传算法行优化。由 件集成并传递 软件的数据模型及计算结果，通过多目标遗传算法 定最优解。如果不是最优解，则返回流程起点开始新一轮寻优；如果是最优解则停止计算。 基于以上分析，对高速动车组受电弓导流罩优化设计工作进行指标分解，如图 2 所示。拟定以受电弓导流罩高
7、度、前展度、厚度为优化对象，以受电弓及导流罩阻力、导流罩螺栓强度、导流罩的质量（均要求最小，以强度和变形量为约束）这三方面为目标函数，对导流罩结构进行综合优化。 图 2 导流罩优化设计工作指标分解 优化分析策略确定为：以导流罩的高度、前展度、结构厚度为设计参数；以导流罩结构强度不超标作为约束；以导流罩和受电弓整体阻力 (越小越好 )，导流罩质量 (越小越好 )作为多学科优化决策的目标。 基于 件建立受电弓导流罩多学科优化仿真设计流程如图 3 所示。其中， 图 3 受电弓导流罩优化设计工作流程 （ 1） 件集成，流体网格、结构网格用同一组参数控制。 （ 2） 件实现，调用 算资源，使用 6 个刀
8、片 72 核计算，提取气动阻力及表面载荷。 2012 年 会论文集 （ 3） 件，结构计算分析，调用本地 4 核计算，提取导流罩厚度及结构分析结果。 计参数的实验设计( 计学理论、计算机辅助建模为基础的“基于模型优化” 的前沿技术， 可通过选择较好的初始设计点并确定关键设计参数， 科学安排试验方案，正确分析试验结果，尽快获得优化方案4,5。实验设计 (用来确定关键的设计参数，用最少的评估次数从离散的数据集中评估出最接近优化的设计， 评估每个设计变量对整个产品性能的影响，确定重要设计变量的相互作用，分析设计空间并提供一个粗略的最优设计。 本文采用优化的拉丁方方法（ 行受电弓导流罩设计参数的试验设
9、计（ ，形成设计参数矩阵。该方法是从一个随机的超拉丁立方矩阵（ 始，通过优化输入采样点的空间分布，保证设计点在设计空间的均匀分布。 体结构网格协同参数化及空气动力学计算 于 适形状变形）方法的变形工具，极大节省几何体重建和网格重构的时间，通过高精度和高阶光滑算法实现网格自动参数化变形，在设计优化过程中自由、实时修改网格形状，并实现连接曲面的光滑过渡。气动、结构网格基于统一的控制体和参数控制，支持 接相互导入，有效保证 算收敛性。网格变形后可以直接转换为 式4。 利用 受电弓导流罩初始方案网格节点外面加上一个控制域，如图 4 所示。通过控制域上的控制点坐标系的缩放、旋转、平移，实现实时网格参数化
10、变形。控制参数主要是导流罩高度 值：变高，负值变低） 、导流罩前展度变化 值向前，正值向后 )图 4 受电弓导流罩网格节点控制域 受电弓导流罩的气动阻力计算在流体软件 完成。 受电弓导流罩空气动力学计算模型如图 5 所示，导流罩进口边界条件设置为：速度入口条件， 350km/h。 出口边界设置为：压力出口条件，采用一个大气压，即出口相对压力为 0车体表面、受电弓表面和计算域其余表面设置为：壁面条件，采用 件，即无滑移边界条件。 2012 年 会论文集 图 5 受电弓导流罩空气动力学计算模型 构强度流固耦合计算 基于流固耦合技术， 空气动力学流场计算结果映射为导流罩表面气压载荷计算结果，并导出为 元 载荷”文件。通过 元 荷载”文件加载至 行导流罩结构强度的分析计算，进而提取导流罩的质量、应力与变形。在此过程中，气动阻力与结构强度计
