空铁Y形立柱金属结构多层轻量化设计研究

范生龙 冯应龙

摘 要：我国近些年城市发展迅速，交通问题已经成为制约城市进一步发展的阻碍，催生了空铁系统的应用。为让空铁运营更加安全，本文对于线路中大量使用的Y形立柱金属结构进行多层式轻量化设计，保证结果使用的稳定性。旨在为我国未来空铁系统进一步发展，缓解城市交通压力贡献力量，推动城市健康有序发展。

关键词：空铁Y形立柱金属结构;多层轻量化;设计研究

前言：空铁全称为悬挂式空中单轨交通系统，利用城市的空间资源，设置空中轨道，实现城市居民的远距离移动，这对于城市交通压力具有重要意义。而空铁线路需要使用大量Y形立柱负责承载线路压力，为提高Y形立柱使用安全性，需要对Y形立柱金属结构进行系统性的轻量化设计。

1参数化建模

使用ANSYS 2019RS软件中，对于空铁Y形柱做参数化建模，可以为之后的金属结构优化提供便利条件[1]。如图1所示的Y形立柱局部结构示意图。

为确保本文的轻量化设计具有实用价值，对于几种常见的危险工况进行简述：第一种：两列空铁的车尾为同一方向，并处于立柱和走行梁连接位置的轴上，而风载则和空铁的制动方向保持同一方向。这个时候立柱和走行梁连接位置的单根轴，需要承受沿着行梁方向产生的最大偏向载荷;第二种：空铁正在异向行驶，其车尾位置在立柱和走行梁连接位置的轴上，而制动方向则和空铁行驶方向保持相同方向，风载沿着走行梁有向右偏移的趋势。这个时候立柱拥有逆时针最大扭转力;第三种：空铁在立柱的正中间位置，风载方向和车辆制动方向保持相同方向。这个时候立柱拥有最大的承载力;第四种：客车在立柱的正中间位置，车辆保持制动状态，空载与风载则是和走行梁保持垂直状态。这个时候的立柱是和走行梁偏载呈垂直状态，也是空铁运行最危险的工况。

2优化现有约束条件

以《铁路桥梁钢结构设计规范》相关规定，针对Y形立柱金属结构的刚度、强度等作为优化约束条件应用。

2.1强度约束

因为Y形立柱金属结构应用Q345钢，会因为厚度提升而影响钢材的屈服极限。在金属板厚度处于63mm～80mm之间时，屈服极限为315MPa。又因為Y形立柱金属结构板大多是70mm后，可以参考《起重运输机金属结构》，获得其安全系数ni为1.34[2]。

所以，Y形立柱金属结构的综合应力为：

在各类危险工况载荷组合下的最大综合应力σmax，需要以σmax≤[σs]为准。

2.2刚度约束

如果危险工况荷载出现在特定位置，需要保证该位置的弹性变形值为LD≤[LD]，即Y形立柱金属结构在危险工况荷载影响下产生的最大位移，需要低于其许用位移。因为Y形立柱是一端被固定，另一端是可以根据使用需求自由移动，所以其许用位置和立柱高度H有以下关系：

2.3稳定性约束

如果综合荷载超过某个临界值，走行梁会在垂直方向产生变形，同时会在水平方面因急剧变形导致扭转现象，进而影响Y形立柱的支腿位置无法保持良好的稳定性，需要关注稳定性约束，以公式（3）为准。

其中，σ为Y形立柱支腿的结构稳定性应力;Mx、My为走行梁和立柱支腿作用于X轴、Y轴的弯矩;N是立柱支腿产生的轴向压力;A是立柱支腿截面积;Wx、Wy是在X轴、Y轴的截面抗弯模量;φ是轴心压杆稳定系数。

利用《起重运输机金属结构》提供的表格，可知长细比，μ1是由支腿支撑情况影响的折算长度系数，而Y形立柱可以认为是一端固定一端自由，取值为2;μ2是变截面折算的长度系数，可以通过查询表格，取1;r是支腿截面半径[3]。

在分析四种危险工况后，发现N的变化幅度有限，可以认为保持基本不变，可以确定决定应力受到弯矩与抗弯模量比值影响。又因为四种危险工况的抗弯模量保持一致，所以弯矩是影响应力的主要因素。第一种工况弯矩是超过其他三种工况弯矩约一个数量级，所以具有最大的危险性。

3空铁Y形立柱金属结构多层轻量化设计

把第一次优化结果当成修改空间，并以此展开下一次优化分析，这种模式即为多层优化。本文现通过ANSYS软件，以零阶优化获得第一优化结果，并应用一阶优化方法对设计做进一步优化。

因为Y形立柱高度不会发生太大变化，同时耳板高度、耳板之间距离、和走行梁配合使用的尺寸不变，所以仅选择图1中的L1、L2、L6作为设计变量应用。考虑到支腿需要维持稳定性，所以也选择把支腿截面长度ZW、Y形立柱板厚T1、耳板板厚T4作为设计变量应用。以Y形立柱金属结构重量W（X）最低值作为目标优化函数，其模型可以整理为：

在对Y形立柱的模型求解后，对于状态变量进行提取，配合待优化设计，对于目标函数作多层优化计算，最后在29阶收敛时，函数达到最优解。

在优化后T1从-14.3%降低至-21.4%，有效缩减板厚。而四种危险工况也在多层轻量化设计中得到有效控制，降低空铁行驶的危险性。

结论：受限于篇幅限制，本文对于空铁Y形立柱金属结构多层轻量化设计并没有设计过深，所以在实际应用时还请搭配其他资料，对于Y形立柱金属结构做更深层次的研究，实现安全可靠的轻量化设计。希望本文内容可以为一线设计人员提供帮助，推动空铁系统的大规模应用。

参考文献

[1]朱远，张业成，罗生梅.基于拓扑优化的立柱结构轻量化设计[J].计算机仿真，2019，36（09）：230-235.

[2]刘新磊，姜鑫，刘双铭.FSEC赛车前立柱轻量化优化设计[J].山东工业技术，2020（05）：90-95.

[3]李天箭，丁晓红，李郝林.机床结构轻量化设计研究进展[J].机械工程学报，2020，56（21）：186-198.