摘要：轨道车辆在人们的日常生活中扮演者及其重要的角色，特别是地铁。在某些城市地铁是人们出行的主要交通工具之一，其车体钢结构在保证设计使用寿命的前提下减少重量、保证刚度显得越来越重要。在保证刚度的前提下尽量减小车体的重量，提出最优的设计方案是今后地铁设计的重要方向。
关键词：结构优化 减重 轨道车辆
1 概述
轻量化是轨道车辆设计中的一个十分重要的目标，它受到强度、刚度等结构问题的约束， 因而如何在确保结构安全的前提下达到理想的轻量化设计也就成为现代设计中普遍关注的 课题。拓扑优化技术作为以提高结构性能或减轻结构质量为目标的一种新兴结构设计方法，其最大优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷条件确定较合理 的结构形式，目前已广泛应用在汽车产品开发的概念性设计阶段，对最终产品的成本和性能 起到了至关重要的作用 。
2.拓扑优化的应用
拓扑优化在各个领域都有十分广泛的应用，如下图所示，
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2.1 轨道车辆领域拓扑优化的应用
下面是客室座椅的优化设计的优秀案例，如下图所示，
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图2.5 最终设计方案
图2.1~2.5展示的是拓扑优化设计方法在轨道车辆中客室座椅的成功设计应用。我们可以看出，通过优化以后的设计明显更加符合力学和仿生学的要求，在减轻重量的同时保证了安全性。下面我们将介绍运用拓扑优化的方法在实际生产和设计中的应用。
3 优化
3.1优化的概念和定义
?拓扑优化: 是在给定空间内，优化结构内部材料分布的一种数学方法。
?形貌优化: 是一种高级的形状优化，在给定零件的指定区域内生成基于形状模式的加强结构。
?自由尺寸优化: 是一种数学方法，它可以生成优化后２Ｄ结构上单元的厚度分布。
3.2 优化的一般流程
优化设计有三要素，即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数。目标函数就是要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数。约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其它性能的要求。
在OptiStruct 结构优化设计流程如图 3.1 所示
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3.3拓扑优化在实际生产中的应用
3.3.1香港市区线地铁车内固定风道及环形悬挂扶手安装连接铁优化新结构
香港市区线项目对车体钢结构的安全性要求极高，车体仿真计算使用疲劳累计损伤法进行疲劳强度的校核。同时对整车的重量也是有及其严格控制，不能超重。现针对车内主要承载部件连接铁进行优化：
连接铁所承受的载荷由两部分组成，
1.风道及相关部件（约200kg/组单元）
2.环形扶手（12个成年人的重量，约960kg/组单元）
注：每组单元由8个连接铁承载
连接铁的使用量比较大，约32件/辆，香港市区线总共约800辆，减重、增刚度意义较大。下面，我们将新、老方案进行对比，见下图3.3，
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图3.3 新老方案对比
我们把新的方案进行了对比，并且从新进行了有限元分析，结果如下，
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优化后的方案重量减少了%21.5，最大应力小了，而且最大应力位置也由焊缝位置移动到母材的位置，符合了强度要求。
3.3.2 悬挂车枕梁截面形状优化
悬挂车的枕梁在车顶，所以我们拿出车顶的模型来进行分析。见图3.4
待优化型材截面的枕梁，见下图，
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因为枕梁受的大部分的载荷都是垂直向下的载荷，所以，我们加载时主要考虑垂载，型材待优化的断面形状如下图3.5所示
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图3.5 枕梁优化前断面轮廓形状
经过优化分析后得到的型材断面如下图3.6所示
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图3.6 枕梁优化后断面轮廓形状
根据优化后的断面轮廓，我们可以进行二次设计来确定铝合金型材的布筋情况，从而确定型材断面图。
4 总结
随着设计手段的改进，拓扑优化的设计方法将会逐步渗透到轨道车辆设计的方方面面，大到车体钢结构，小到内装扶手，掌握使用这种方法将会对我们的设计工作有着很大的帮助，掌握了这种设计方法，我们的路子会变得更宽，特别是在新材料领域，比如碳纤维的铺层优化设计。
参考文献：
1. 《solidthinking在地铁座椅设计中的应用》， 齐文溥。