基于组合优化策略的动车组悬挂参数优化设计_张昕磊.pdf

第4 1卷 第1期2 0 2 3年1月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1N o.1J a n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 0 6 1 4基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 8 7 5 0 7 3)作者简介:张昕磊(1 9 9 7-),男,河北唐山人,硕士研究生,研究方向为车辆结构分析与现代设计方法;李永华(1 9 7 1-),女,黑龙江青冈人,博士,教授,研究方向为车辆结构分析与现代设计方法、车辆结构疲劳可靠性分析、机械产品数字仿真与优化设计、质量与RAM S工程。基于组合优化策略的动车组悬挂参数优化设计张昕磊1,李永华1,王 衍2,李继康1(1.大连交通大学机车车辆工程学院,辽宁 大连1 1 6 0 2 8;2.大连交通大学计算机与通信工程学院,辽宁 大连1 1 6 0 2 8)摘 要:为快速获得改善车辆横向平稳性的最优悬挂参数,提出基于自适应模拟退火算法和非线性序列二次规划算法的组合优化策略对动车组悬挂参数进行优化设计。建立动车组动力学模型,利用最优拉丁超立方抽样方法选取对横向平稳性影响较大的悬挂参数作为设计变量;以横向平稳性为目标函数构建K r i g i n g代理模型,并利用可决系数检验代理模型精度;采用自适应模拟退火算法对代理模型进行全局范围内初步寻优,在初步最优解的基础上采用非线性序列二次规划算法进行局部空间精确求解。研究结果表明,基于K r i g i n g代理模型和组合优化策略的优化效率明显提高,车辆横向平稳性得到显著改善,并且优化前后运行稳定性均满足要求。关键词:悬挂参数;横向平稳性;组合优化策略;最优拉丁超立方;K r i g i n g代理模型中图分类号:U 2 6 6 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 1 0 0 7 5 0 6O p t i m i z a t i o nD e s i g nf o rS u s p e n s i o nP a r a m e t e r so fEMUB a s e do nC o m b i n a t o r i a lO p t i m i z a t i o nS t r a t e g yZ H A N GX i n l e i1,L IY o n g h u a1,WA N GY a n2,L I J i k a n g1(1.S c h o o l o fL o c o m o t i v ea n dR o l l i n gS t o c kE n g i n e e r i n g,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n1 1 6 0 2 8,C h i n a;2.S c h o o l o fC o m p u t e ra n dC o mm u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n1 1 6 0 2 8,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oo b t a i n t h eo p t i m a l s u s p e n s i o np a r a m e t e r s f o r i m p r o v i n g t h e l a t e r a l s t a b i l i t yo f t h ev e h i c l e,a c o m b i n a t o r i a l o p t i m i z a t i o ns t r a t e g yb a s e do na d a p t i v es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h ma n dn o n l i n e a rp r o g r a mm i n gb yq u a d r a t i cl a g r a n g i a na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oo p t i m i z et h es u s p e n s i o np a r a m e t e r so fEMU.T h ed y n a m i cm o d e l o f t h eEMUi se s t a b l i s h e d,a n dt h ed e s i g nv a r i a b l e sa r e r e g a r d e da s t h es u s p e n-s i o np a r a m e t e r s t h a t a f f e c t t h e l a t e r a l s t a b i l i t yb yu s i n gt h eo p t i m a lL a t i nh y p e r c u b em e t h o d.K r i g i n gs u r-r o g a t em o d e l i sc o n s t r u c t e dw i t ht h eo b j e c t i v ef u n c t i o no f t h el a t e r a ls t a b i l i t y,a n dt h ef i t t i n ga c c u r a c yo ft h es u r r o g a t em o d e l i s t e s t e db yt h ec o e f f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o n.T h es u r r o g a t em o d e l i s i n i t i a l l yo p t i m i z e db yu s i n gt h ea d a p t i v es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi nt h eg l o b a l s c o p e,a n dt h en o n l i n e a rp r o g r a mm i n gb yq u a d r a t i c l a g r a n g i a na l g o r i t h mi su s e dt os o l v e t h ep r o b l e ma c c u r a t e l y i nt h e l o c a l s c o p eo nt h eb a s i so ft h e i n i t i a lo p t i m a ls o l u t i o n.R e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c yi so b v i o u s l yi m p r o v e db a s e do nK r i g i n gs u r r o g a t em o d e l a n dt h ec o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o ns t r a t e g y.T h e l a t e r a l s t a b i l i t yo f t h ev e h i c l e i s s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d,t h e r u n n i n gs t a b i l i t ym e e t s t h e r e q u i r e m e n t sb e f o r e a n da f t e ro p t i m i z a t i o n.K e yw o r d s:s u s p e n s i o np a r a m e t e r s;l a t e r a ls t a b i l i t y;c o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o ns t r a t e g y;o p t i m a lL a t i nh y p e r c u b e;K r i g i n gs u r r o g a t em o d e l572 0 2 3(1)0 引言随着动车组运行速度的日益提高,车辆的平稳性和稳定性越来越受到关注1。动车组转向架悬挂系统是复杂多参数系统,由于加工制造误差和橡胶老化等原因,使得生产和运行过程中悬挂参数存在不确定性,同时悬挂参数变化影响着车辆运行平稳性和稳定性。因此,分析悬挂参数对动力学性能的影响极为重要。近年来,国内外学者围绕转向架悬挂参数的优化开展了大量研究。张涛等2研究了地铁一系悬挂和扣件刚度参数对车辆动力学性能的影响;王欢声等3针对变轨距转向架悬挂参数进行优化匹配,提出了关键悬挂参数匹配方案;岳鹏等4基于UM软件建立某高速客车动力学模型,研究了车辆通过曲线时一系悬挂纵向和横向刚度对车辆动力学性能的影响;宗聪聪等5利用遗传算法对二系悬挂进行优化,降低了转向架蛇行模态对车体晃动的影响。然而,上述研究需要多次调用非线性程度较高的车辆系统动力学模型,求解参数过程耗时较长,而代理模型利用函数代替复杂的理论模型,能够提高求解效率。Y a n g等6运用K r i g i n g代理模型,通过多岛遗传算法寻求悬挂参数的最优组合。智能优化算法虽然全局搜索能力很强,但是局部搜索能力较差,求解时间长,效率降低7。本文以国内某动车组为对象,使用S I MP A C K软件建立车辆系统动力学模型,借助S I MP A C K软件与I s i g h t软件联合仿真计算平台分析悬挂参数对横向平稳性的影响,选取5个灵敏度较大的悬挂参数作为设计变量,并以横向平稳性为目标函数建立K r i g i n g代理模型。基于自适应模拟退火算法和非线性序列二次规划算法的组合优化策略,在K r i g i n g代理模型的基础上对悬挂参数进行优化,并通过仿真验证优化结果的有效性。1 车辆系统动力学模型的建立根据多体动力学理论,运用S I MP A C K软件建立国内某动车组动力学模型,该模型由1个车体、2个构架、4个轮对和8个轴箱组成,轮对与构架通过一系悬挂系统连接,构架与车体通过二系悬挂系统连接,其拓扑结构如图1所示。6?2?6?6?图1 车辆系统动力学模型拓扑结构参考T B1 0 6 2 12 0 1 4 高速铁路设计规范 进行仿真运行工况设置,直线和曲线工况行驶速度均为3 0 0k m/h,直线工况运行里程为15 0 0m;曲线共有3种工况,曲线线路参数设置为:直线、缓和曲线和圆曲线长度分别为2 0 0m、3 0 0m和3 0 0m,外轨超高为1 2 0mm,曲线半径分别为55 0 0m、70 0 0m和1 00 0 0m,以德国低干扰谱作为轮轨激励,其不平顺如图2所示。6420246-?/mm02004006008001 000?/m?图2 轨道不平顺2 悬挂参数灵敏度分析研究表明,动车组转向架悬挂刚度和阻尼等参数对车辆动力学性能影响较大,分析每个悬挂参数对车辆动力学性能的影响,筛选关键悬挂参数进行全面分析8。灵敏度分析可以正确选择出对目标函数影响较大的参数,减少待优化变量数目,进而提高优化效率9。本文建立的车辆系统动力学模型有1 2个主要悬挂参数,其名称及符号如表1所示。利用建立的直线工况,采用最优拉丁超立方抽样方法1 0研究悬挂参数对横向平稳性的影响。若手动将每组样本点导入S I M P A C K软件,然后计算并记录横向平稳性的数值需要浪费大量时