一种抗高频疲劳的高速铁路扣件弹条设计方法及系统

1.一种抗高频疲劳的高速铁路扣件弹条设计方法，其特征在于，所述方法包括：根据扣件弹条基本线型参数以及各中心轴线段的参数化方程，建立弹条的参数化模型；以弹条空间几何线型参数为设计变量，并建立几何约束条件和物理约束条件，构造融合弹条基频和静态等效应力的优化目标函数；根据建立的约束条件和优化目标函数，利用带约束条件的粒子群优化算法进行多目标多参数协同优化的抗高频疲劳弹条优化设计，获取最优设计变量结果；以弹条空间几何线型参数为设计变量，具体包括：为了保证弹条的合理安装，选取并作为设计变量的弹条空间几何线型参数包括：旁肢拱高H 1 ，中肢拱高H 2 ，跟端半径R 2 ，旁肢前端半径R 3 ，圆心纵向距离b 1 ，前肢直线b 2 ，跟端直线b 3 ；建立几何约束条件和物理约束条件，具体包括：几何约束条件确保弹条几何形态相容以及现场的正确安装，建立几何约束方程包括：式中，C i 为第i个约束方程，R 1 为中肢前端半径；物理约束条件包括弹条前肢扣压力、弹条安装后基频以及弹条初始静态最大等效应力均满足要求，建立物理约束方程包括：式中，P为弹条前肢扣压力，f 1 为弹条安装后的基频，σ smax 为弹条初始静态最大等效应力。 2.如权利要求1所述的一种抗高频疲劳的高速铁路扣件弹条设计方法，其特征在于，构造融合弹条基频和静态等效应力的优化目标函数，具体包括：式中，F为目标函数， 、 分别为优化前的弹条基频与初始静态最大等效应力。 3.如权利要求2所述的一种抗高频疲劳的高速铁路扣件弹条设计方法，其特征在于，利用带约束条件的粒子群优化算法进行多目标多参数协同优化的抗高频疲劳弹条优化设计，具体包括：对于约束方程C 3 、C 4 及C 5 通过控制设计变量上下限实现约束；其余约束方程C 1 、C 2 、C 6 、C 7 及C 8 使用罚函数法实现约束条件的引入，具体公式如下：第j个粒子第i个约束的惩罚项e ij 为：式中，C ij 为第j个粒子第i个约束；对约束惩罚项归一化：式中，N s 为种群大小；计算第i个约束惩罚项的权重：式中，L i 为第i个约束惩罚项的权重，N c 为约束方程个数，取N c =5。 4.如权利要求3所述的一种抗高频疲劳的高速铁路扣件弹条设计方法，其特征在于，利用带约束条件的粒子群优化算法进行多目标多参数协同优化的抗高频疲劳弹条优化设计，具体包括：初始化种群以及粒子速度与位置，其中种群指作为设计变量的弹条空间几何线型参数向量，粒子指种群中的每一个变量参数；更新每个粒子的速度与位置：式中，k为当前迭代次数，x k 、v k 分别为第k次迭代的粒子位置与速度，x k+1 、v k+1 分别为第k+1次迭代的粒子位置与速度，ω s 为惯性因子；c 1 、c 2 为常量，表示粒子群体对单个粒子的影响程度；r 1 、r 2 为[0,1]之间的随机数，p k 为当前种群的最优位置，p g 为种群中所有粒子所经历过的全局最优位置；计算适应度值函数，适应度值函数公式为：式中， 为适应度值函数；比较迭代前后适应度值函数的大小，并引导群体向最优解移动，进行下一步迭代，直到循环程序终止。 5.如权利要求4所述的一种抗高频疲劳的高速铁路扣件弹条设计方法，其特征在于，利用带约束条件的粒子群优化算法进行多目标多参数协同优化的抗高频疲劳弹条优化设计，具体包括：采用MATLAB与ANSYS软件联合仿真，具体流程如下：使用MATLAB软件编写粒子群优化算法程序；基于MATLAB与ANSYS软件联合仿真，MATLAB初始化弹条空间几何线型参数，并启动ANSYS；ANSYS读取弹条空间几何线型参数，进行预应力模态分析，计算得到弹条的静态等效应力与基频并输出；MATLAB提取计算的弹条基频与静态等效应力值，计算适应度值函数。 6.如权利要求5所述的一种抗高频疲劳的高速铁路扣件弹条设计方法，其特征在于，ANSYS读取弹条空间几何线型参数，进行预应力模态分析，计算得到弹条的静态等效应力与基频并输出，具体包括：使用三向赫兹线性简化弹簧单元模拟弹条与相邻部件的接触，弹条接触部位约束刚度利用粒子群优化算法与赫兹接触理论确定；基于得到的弹条接触部位约束刚度，进行预应力模态分析，计算得到弹条的静态等效应力与基频。 7.如权利要求1所述的一种抗高频疲劳的高速铁路扣件弹条设计方法，其特征在于，所述方法还包括：基于最优设计变量结果，建立抗高频疲劳弹条动力学模型，验证延寿效果。 8.一种抗高频疲劳的高速铁路扣件弹条设计系统，其特征在于，所述系统包括：参数化模型构建模块，用于根据扣件弹条基本线型参数以及各中心轴线段的参数化方程，建立弹条的参数化模型；约束及目标函数建立模块，用于以弹条空间几何线型参数为设计变量，并建立几何约束条件和物理约束条件，构造融合弹条基频和静态等效应力的优化目标函数；优化求解模块，用于根据建立的约束条件和优化目标函数，利用带约束条件的粒子群优化算法进行多目标多参数协同优化的抗高频疲劳弹条优化设计，获取最优设计变量结果；以弹条空间几何线型参数为设计变量，具体包括：为了保证弹条的合理安装，选取并作为设计变量的弹条空间几何线型参数包括：旁肢拱高H 1 ，中肢拱高H 2 ，跟端半径R 2 ，旁肢前端半径R 3 ，圆心纵向距离b 1 ，前肢直线b 2 ，跟端直线b 3 ；建立几何约束条件和物理约束条件，具体包括：几何约束条件确保弹条几何形态相容以及现场的正确安装，建立几何约束方程包括：式中，C i 为第i个约束方程，R 1 为中肢前端半径；物理约束条件包括弹条前肢扣压力、弹条安装后基频以及弹条初始静态最大等效应力均满足要求，建立物理约束方程包括：式中，P为弹条前肢扣压力，f 1 为弹条安装后的基频，σ smax 为弹条初始静态最大等效应力。