[发明专利]一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构

说明书

本发明公开了一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构，优化方法包括：根据原有外风挡结构断面几何外形尺寸定义外风挡结构设计空间；对设计区域进行拓扑优化设计，得拓扑优化设计结果；将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，得拓扑优化的外风挡结构断面；将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面比较验证，若外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成优化；若不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。该优化方法及外风挡结构在不增加原结构质量的情况下，提高了外风挡结构的横向刚度，使安装后的外风挡结构减阻效果更好、横向抗变形能力提高，且满足外风挡结构轻量化设计需求。

技术领域

本发明涉及高速列车外风挡结构设计技术领域，具体而言，涉及一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构。

背景技术

高速列车是指最高运行时速不低于250千米的旅客列车，外风挡结构作为高速列车重要组成部件，安装于两车厢端部连接处，使得车体表面光顺平滑，为高速列车减阻降噪发挥了重要的作用。并且，橡胶外风挡具有较好的柔性变形能力，当列车通过曲线时，外风挡通过挤压变形为列车通过曲线时提供两车车厢之间位移量，列车直线行驶时外风挡回弹继续发挥减阻降噪的作用。

随着列车运行速度的提高，外风挡受列车空气动力作用更为剧烈。在列车高速运行时，气动载荷作用下橡胶外风挡结构产生横向变形，而当气动载荷的激励频率接近结构固有频率时容易引起共振现象，加剧结构的振动。在已有研究中，动车组橡胶外风挡结构在使用的过程中存在气动响应问题，当列车运行速度到达200km/h以上时，橡胶外风挡出现沿垂直车体表面方向的外翻，严重时的外翻程度与车体表面呈现45°的夹角，由于橡胶结构外风挡不断的外翻屈挠，甚至出现断裂现象。并且，外风挡安装在靠近车体外表面的车端位置，外风挡的变形振动反过来又影响列车车端周围流场运动，从而改变气动载荷的分布和大小，将导致车厢端部连接处的气动力分布不均匀，严重影响列车行车稳定性。同时，外风挡的变形振动对于结构的疲劳寿命同样产生危害。

在现有的技术中，虽采取了一些技术手段或提出了部分改进方案来增强外风挡的横向刚度，使得外风挡在气动载荷作用下产生的变形量减小。但这些改进措施对外风挡抗横向变形能力的提高效果不明显，并且在对外风挡进行补强的过程中均增加的原有结构的重量，且结构装配复杂。原外风挡装配时，相对的车端外风挡顶部橡胶圆弧之间存在凹陷，该凹陷的存在导致空气流过此处产生旋涡，对于外风挡气动减阻和降噪的效果减弱。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构，该优化方法及外风挡结构在不增加原结构质量的情况下，提高外风挡结构的横向刚度，使安装后的外风挡结构减阻效果更好且横向抗变形能力提高，提高外风挡的使用可靠性，并且满足高速列车外风挡结构轻量化设计方向。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高速列车外风挡结构的优化方法，包括以下步骤：

根据原有外风挡结构断面的几何外形尺寸，定义外风挡结构的设计空间，设计空间包括非设计区域和设计区域，非设计区域为从原有外风挡结构的断面外轮廓向内一定厚度的区域，设计区域为原有外风挡结构的断面非设计区域以内的区域；

对设计区域进行拓扑优化设计，得到拓扑优化设计结果；拓扑优化设计的目标包括提高原有外风挡结构的横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；

将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，得到拓扑优化的外风挡结构断面；

将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，若拓扑优化的外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成外风挡结构的优化；若拓扑优化的外风挡结构断面不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。