一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法

1.一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选取高速列车采用的受电弓为研究对象，基于DSA380型受电弓的机械参数建立三维实体模型，应用Ansys Workbench平台进行网格划分建立受电弓有限元动态分析模型，根据受电弓的实际运行工况对受电弓有限元动态分析模型添加边界条件与约束条件；步骤2：基于受电弓等效模型参数识别方法对所建立的受电弓有限元动态分析模型进行标准工作高度下的三质量块等效参数验证；根据刚度计算公式计算弓头及上下框架的等效刚度，根据单自由度系统自由振动公式计算弓头及上下框架的等效质量，根据衰减系数计算公式及阻尼系数计算公式计算下框架等效阻尼；然后根据计算所得的弓头及上下框架的等效刚度、弓头及上下框架的等效质量以及下框架等效阻尼参数进行仿真计算，并与标准等效参数对比以验证受电弓有限元动态分析模型的准确性；步骤3：根据国际电工委员会标准IEC 60494-1，对受电弓有限元动态分析模型进行横向刚度校核，并基于刚性结构的振动方程，使用有限元计算进行对受电弓有限元动态分析模型的模态分析，对前六阶低频模态振型进行解析并与实验结果对比验证；步骤4：建立弓网动态耦合模型对时速400公里工况下受电弓有限元动态分析模型受到的载荷冲击进行仿真分析，基于实际接触网结构，建立一锚段长度下接触网与受电弓有限元动态分析模型的动态耦合模型，再通过在所述动态耦合模型中引入接触线与受电弓有限元动态分析模型的弓头之间的接触单元来模拟实际运行过程中的弓网动态接触行为，提取运行过程中稳定区段内一跨长度的弓网接触力及受电弓有限元动态分析模型垂向加速度，基于受电弓动力学平衡方程式对受电弓有限元动态分析模型施加外部激励，分析受电弓有限元动态分析模型的整体应力和变形情况，并对受电弓有限元动态分析模型部件的载荷与机械参数间的关系进行解析，最后分析受电弓有限元动态分析模型部件的应力及铰点的应力，确定结构危险点；步骤5：通过构建响应曲面对受电弓有限元动态分析模型进行结构强度优化设计，提升其在400km/h速度下的运行强度，根据受电弓等效结构参数及杆件力学方程组，确定受电弓有限元动态分析模型的主要结构参数及变化范围，并构建受电弓优化模型，采取拉丁超立方体试验设计方法对受电弓有限元动态分析模型设计变量进行抽样，得到不同结构参数的受电弓有限元动态分析模型动态结构强度分析及静态结构分析的仿真结果，通过参数灵敏度分析技术研究优化目标、约束条件及优化变量三者间关联程度，分析受电弓有限元动态分析模型的结构参数对其400km/h运行速度动态结构强度及静态结构强度的影响，基于试验设计数据构建RBF神经网络模型，并对优化变量与优化目标间的响应关系进行拟合，得到相应的响应曲面结果，采用多目标遗传算法MOGA对受电弓有限元动态分析模型的结构强度进行优化，基于响应曲面搜寻Pareto最优解，通过仿真验证优化结果。 2.根据权利要求1所述的一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，其特征在于，受电弓的动态结构强度包括受电弓整体及弓头、弓角、上臂、上导杆、下臂、下导杆的应力与变形情况。 3.根据权利要求1所述的一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，其特征在于，所述步骤2中受电弓等效模型参数识别方法具体为：根据刚度计算公式：计算弓头及上下框架的等效刚度K，式中F为外加载荷， 为最大位移量；根据单自由度系统自由振动公式：计算弓头及上下框架的等效质量m，式中T为系统振动周期，K为等效刚度；根据衰减系数计算公式及阻尼系数计算公式：计算下框架等效阻尼c，式中A 0 为参考点振幅，A n 为与A 0 间隔n个周期的振幅。 4.根据权利要求1所述的一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，其特征在于，所述步骤4中受电弓动力学平衡方程式为：其中P(t)为动态弓网接触力， F 0 为受电弓静态抬升力，F a 为空气抬升力，ma为受电弓瞬态冲击力，m为受电弓运行时的动态质量，a为垂向加速度；受电弓有限元动态分析模型的各杆件承受载荷情况与受电弓有限元动态分析模型的结构参数间的关系应满足牛顿-欧拉力学方程，列写受电弓有限元动态分析模型的杆件力学方程组如下：式中M t 为受电弓升弓转矩，F ix 、F ix’、 F iy 、F iy’ 分别为铰点i ， i=A~G处所受的作用力和反作用力；m p 、a px、 a py 分别表示受电弓杆件p，p=a~e的质量及加速度，J q 表示绕铰点q，q=a、b、c、d、e位置的转动惯量。 5.根据权利要求1所述的一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，其特征在于，所述步骤5中受电弓优化模型为：式中X表示受电弓优化总体变量，Δx max 和σ max 分别表示400km/h运行速度动态仿真过程的受电弓最大变形和最大应力，Δx l 和Δx r 分别表示受电弓横向刚度校核中两侧最大位移，ω表示受电弓一阶固有频率，∑m表示其总体质量，X L 和X U 分别表示总体变量X的下限和上限；灵敏度分析技术中定义S(Y, x i )为目标函数Y对于变量参数x i 的灵敏度指标：式中 为当变量参数 为常数时目标函数 的平均值， 为 对 变化的无条件方差， 为模型输出的无条件方差。