一种基于结构拓扑优化的动车组车体设计方法与流程

1.本发明涉及轨道客车车体领域，尤其涉及一种基于结构拓扑优化的车体涉及方法。


背景技术：

2.目前轨道车体结构设计优化主要基于灵敏度分析，代理模型等方法，对结构的形状以及尺寸进行优化，设计人员根据车体实际结构特点，参照相关设计规程要求，在合理优化车体结构设计的基础上，对型材断面以及底架边梁等车体结构细部进行相应的调整优化，但现有的尺寸及形状优化设计存在高度依赖设计原型、设计变量规模小、性能优化空间有限等局限，因此急需新的结构设计方法来突破尺寸及形状优化的设计极限，进一步提升轨道车辆车体结构轻量化设计水平，优化轨道交通车辆整体使用性能。
3.近年来，拓扑优化技术由于其不依赖工程人员、设计师的经验，也能得到高性能的结构设计，逐步扩展到了包括流体、声学、电磁学、光学等多个其他领域，基于拓扑优化方法的轻量化技术已经成为高速列车未来的主要发展趋势，虽然国内外对轨道车辆车体结构的优化研究较为广泛，但是仍主要侧重于尺寸/参数优化算法，对于基于拓扑优化的车体结构设计方法等方面的研究尚显不足。


技术实现要素：

4.本发明的目的是研究一种全新的车体结构设计方法，包括车体尺寸、形状、拓扑等多种类型设计变量的综合优化，借助仿真设计和重建回代的思想,提出一种结构尺寸、形状及拓扑综合优化设计方法,将车体结构的尺寸、形状及拓扑这三类设计变量进行整体考虑，找到结构尺寸、形状及拓扑的最佳组合，在保证车体强度、模态及疲劳等性能指标不变的前提下，对铝车体结构进行结构拓扑优化，最大程度降低车体质量。
5.为达到上述目的，本发明提供一种基于结构拓扑优化的动车组车体设计方法，包括如下步骤：
6.步骤1：以既有动车组车体结构特征为基础，进行车体结构在纵向、垂向和横向三个方向下的力流传递路径的分析，研究车体结构三向力流传递的承载特征，发现结构强度的薄弱部位和强度冗余部位。其方法为：首先以组成车体的型材之间的焊缝位置为基准将车体结构分成若干块型材部分，根据en12663标准，选取对结构强度影响最大、较恶劣的工况优先进行计算分析，分别提取不同型材部分的von
‑
mises应力σ，与该型材部分材料的许用应力[σ]做比，当[σ]/σ>0.85的节点数量大于分块型材节点总数的15％时，认为该部分强度薄弱；当[σ]/σ<0.60的节点数量大于分块型材节点总数的35％时，认为该部分强度冗余；经过计算分析判断可得到存在较大冗余的型材部分，将上述部位作为下一步轻量化的重点对象；经对多个车体的计算可知，底架下边梁和车顶上边梁均为轻量化的重点对象。
[0007]
步骤2：以车体轻量化为目标，对车体主承载结构、次承载结构和端部安全防护结构进行强度、刚度、稳定性、耐撞性与重量、工艺的匹配关系进行研究，提出车体设计的边界
条件(如重量指标、模态指标、强度标准等)，并结合车体主要轮廓技术参数，建立车体轮廓模型，将已确定的技术参数(如焊缝位置、线槽位置、门窗口安装位置等)作为结构拓扑优化的输入参数，形成初步的计算模型；
[0008]
步骤3：由于模态对车体结构的影响较大，先对计算模型进行车体模态分析，而根据步骤1可知，车顶上边梁和底架下边梁对车体模态影响较大，作为重点选取对象进行拓扑优化，通过定义材料的密度属性获取满足车体模态要求的拓扑构型方案，其它各组成部件也同时按上述方法进行结构拓扑优化，获取相应的构型方案，从而形成车体的构型方案；
[0009]
步骤4：对步骤3形成的拓扑构型重建回代分析，按en12663标准要求的所有适用工况，校核其静强度及疲劳性能，直至找到满足en12663标准要求的结构，从而获得最优的结构拓扑优化结构；
[0010]
步骤5：由于步骤4获得的组成车体的型材拓扑构型较复杂，以目前的工艺手段成型非常困难，因此需对各型材拓扑构型进行可制造施工的工程化设计，使之满足制造成型的工艺和生产设备要求，从而形成可生产制造的拓扑构型工程化的车体结构。
[0011]
步骤6：对步骤5获得的构型工程化的车体结构重新建立计算模型，再次按照en12663标准和相关技术要求进行模态、疲劳及静强度分析，找到满足要求的结构，获得最终的结构拓扑优化车体结构。
[0012]
进一步的，所述的动车组车体结构选取的宽度为3360mm，距离轨面高度为3950mm，车辆长度25000mm。
[0013]
进一步的，对强度冗余的部分，将底架边梁和上边梁保留外框架2mm厚度和焊接位置，其余部分不变，分别加载选定载荷后，以最小柔度为计算目标，体积分数设为15％，以重量和应力为约束，进行拓扑优化，将原始(0
‑
1)离散变量优化问题放松，允许出现连续变化的中间密度，然后在材料弹性模量和材料密度之间建立适当的插值关系，引入惩罚消除中间密度，最终得到0
‑
1结构拓扑，这种设置方法可以在大幅度减少设计计算量的同时，保留原有工艺接口和焊接方式。
[0014]
进一步的，再对强度薄弱的部分进行拓扑优化，将其他强度薄弱的区域分别设置为优化设计区域，保留外框架3
‑
3.5mm厚度和焊接位置，其余部分不变，分别加载选定载荷后，以最小柔度为计算目标，体积分数设为20％，以重量和应力为约束，进行拓扑优化，将原始(0
‑
1)离散变量优化问题放松，允许出现连续变化的中间密度，然后在材料弹性模量和材料密度之间建立适当的插值关系，引入惩罚消除中间密度，最终得到0
‑
1结构拓扑。
[0015]
本发明打破了现有的车体传统的基于灵敏度分析，代理模型的结构设计方法，将结构拓扑优化思想贯彻到车体结构设计中，通过研究车体结构尺寸、形状及拓扑综合优化设计等方面，发明了一种全新的结构拓扑优化的动车组车体设计方法，在保证车体强度、模态及疲劳等性能指标不变的前提下，最大程度降低车体重量。
附图说明
[0016]
图1车体结构拓扑优化设计方法流程图；
[0017]
图2为车体断面拓扑优化示意图；
[0018]
图3为车体底架边梁拓扑优化示意图；
[0019]
图4为车体车顶边梁拓扑优化示意图；
[0020]
图5为车体拓扑优化示意图。
具体实施方式
[0021]
参照图1，发明一种基于结构拓扑优化的新型动车组车体结构设计方法，使整个车体的结构尺寸、形状及拓扑最优化，并最大限度的降低车体质量，满足下一代400km/h高速动车组对车体重量的要求，具体实施方案包括如下步骤：
[0022]
1、以既有系列化车辆结构特征为基础，进行车体结构在纵向、垂向和横向三个方向下的力流传递路径的分析，研究车体结构三向力流传递的承载特征，发现结构强度的薄弱部位和强度冗余部位。
[0023]
以某型号采用中空型材的动车组铝合金车体结构为拓扑优化对象，该车体结构断面宽度为3360mm，距离轨面高度为3950mm，车辆长度25000mm；首先根据en
‑
12663标准，选取对结构强度影响最大、最难以达到的三种工况，施加不同方向的载荷，详见下表1：
[0024]
表1静强度载荷表
[0025][0026]
根据计算结果，判断强度薄弱部位和强度冗余部位，判别条件如下：
[0027]
表2车体所用材料及其屈服强度
[0028][0029]
将焊缝断开处作为分缝，车体结构可以分成20块型材部分，分别提取不同型材部分的von
‑
mises应力σ，与该型材部分材料的许用应力[σ]做比，当[σ]/σ>0.85的节点数量大于分块型材节点数的15％时，认为该部分强度薄弱；
[0030]
当[σ]/σ<0.60的节点数量大于分块型材节点数的35％时，认为该部分强度冗余；经过判断可得，底架下边梁和车顶部分型材上边梁存在较大冗余，将上述部位作为下一步轻量化的重点对象。
[0031]
2、基于动车组车体结构承载特征，以车体轻量化为目标，研究车辆服役环境影响因素及权重分配，提出多种服役环境下耦合
‑
协同效应的边界条件方案；以车体主承载结构和关键部件为研究对象，分析轻量化结构设计及相互连接关系特点，进行强度、刚度、稳定
性与重量、工艺的匹配关系研究。
[0032]
根据影响因素及权重分配及en
‑
12663标准，在22种静强度工况中，选取表3和表4中5种静强度工况和4种疲劳强度工况作为输入工况：
[0033]
表3静强度计算工况说明
[0034][0035]
表4疲劳计算工况汇总
[0036][0037]
3、综合考虑车体结构连接可靠性、结构强度与重量均衡性、工艺实施可行性及材料力学性能匹配性等因素，提出新型车体结构拓扑优化设计方法；考虑复杂因素耦合和协同效应，基于车体结构拓扑优化设计方法，开展轻量化新型车体结构拓扑优化与设计技术研究。
[0038]
为了解决拓扑优化方法在大长中空铝型材结构中难以实现的问题，本方法将底架边梁和车顶上边梁的位置设置为优化设计区域，保留外框架2mm厚度和焊接位置，其余部分不变，分别加载表3、表4选定载荷后，以最小柔度为计算目标，体积分数设为15％，以重量和应力为约束，进行拓扑优化，具体优化方式包括：将原始(0
‑
1)离散变量优化问题放松，允许出现连续变化的中间密度，然后在材料弹性模量和材料密度之间建立适当的插值关系，引
入惩罚消除中间密度，最终得到0
‑
1结构拓扑，这种设置方法可以在大幅度减少设计计算量的同时，保留原有工艺接口和焊接方式。
[0039]
相同质量下，新构型的底架下边梁相对于原有的底架下边梁，模态频率相当，柔度(变形能)变为原来的16％。
[0040]
相同质量下，新构型车顶上边梁的柔度(变形能)为原结构的19.5％,下降了约80.5％；频率上升了0.4hz,提升了7.6％。
[0041]
在此基础上，再对强度薄弱的部分进行拓扑优化，将其他强度薄弱的区域分别设置为优化设计区域，保留外框架3
‑
3.5mm厚度和焊接位置，其余部分不变，分别加载表3、表4选定载荷后，以最小柔度为计算目标，体积分数设为20％，以重量和应力为约束，进行拓扑优化，具体拓扑优化方式包括：将原始(0
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1)离散变量优化问题放松，允许出现连续变化的中间密度，然后在材料弹性模量和材料密度之间建立适当的插值关系，引入惩罚消除中间密度，最终得到0
‑
1结构拓扑。
[0042]
4、针对拓扑优化后的新型车体结构，从整车和构件两个方面，通过对车体、部件、材料的静强度、刚度、疲劳以及连接接头等结构的仿真分析及优化验证、车体结构与车外悬挂设备的耦合振动分析、车下悬挂设备与车体的连接可靠性分析，验证利用此发明设计的轻量化车体结构的安全性和可靠性。
[0043]
最后将上述全新构型的型材断面重新带入到整车有限元模型中，进行22种静强度工况、4种疲劳强度工况和2种模态工况下的校核，经过校核可得，在满足en
‑
12663静强度及疲劳强度要求的前提下，优化后构型低阶频率15.6hz，质量10.15t，刚度提升20％，质量减轻7.7％。
[0044]
通过本专利所提供的结构拓扑优化设计方法设计的车体结构包括但不限于动车组车体，其他车辆根据车体的具体要求进行调整，本专利只提供一种全新的车体结构的设计方法。
[0045]
一种基于结构拓扑优化的动车组车体设计方法涉及车体结构中应用材料的布局设计，适用于满足静强度、模态、疲劳特性的动车组车体结构方案设计；本发明按照图1的方法流程进行结构拓扑优化设计，主要包括以下步骤：
[0046]
(1)获取车体结构在纵向、垂向和横向三个方向下的力流传递路径，在车体结构三向力流传递的承载特征基础上，结合车体主要技术参数，建立车体轮廓的结构有限元模型；
[0047]
(2)以车体轻量化为目标，对车辆服役环境影响因素及权重分配，提出多种服役环境下车体设计的边界条件(如重量指标、模态指标、强度标准等)，输入确定的结构拓扑优化参数(如焊缝位置、线槽位置、门窗口位置等)，形成初步的计算模型(见图2)；
[0048]
(3)先对计算模型进行车体模态分析，由于车顶上边梁和底架下边梁对车体模态影响较大，作为重点选取对象进行拓扑优化，通过定义材料的密度属性获取满足车体模态要求的拓扑构型方案(见图3、图4)，其它各组成部件也同时按上述方法进行结构拓扑优化，获取相应的构型方案，从而形成车体的构型方案(见图5)；
[0049]
(4)对拓扑构型重建回代分析，校核其静强度及疲劳性能，直至找到满足标准要求的结构，从而获得最优结构拓扑结构；
[0050]
(5)对拓扑构型进行工程化设计，使之满足制造成型的工艺要求；
[0051]
(6)对构型工程化的车体结构再次进行模态、疲劳及静强度分析，获得最终的结构
拓扑优化车体结构。
[0052]
本发明提出了全新的结构拓扑优化车体结构优化设计方法，不再简单的对车体结构进行参数优化，在设计前期便将静强度、模态和疲劳寿命的影响考虑在内，对于车体结构设计具有重要意义。