混合材料车体工程化轻量化方法及系统与流程

1.本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种混合材料车体工程化轻量化方法及系统。


背景技术：

2.目前复合材料在轨道交通领域应用种类多，在高速列车、地铁和磁浮列车上已有大量地应用。
3.发明人发现，涉及复合材料的车体结构材料及构型配置的设计方法较少，可实现工程应用的工程化方法更是缺乏，并且目前轨道交通装备普遍采用等代设计的方法，按照金属车体的设计几何构型做成全车的复合材料车体，没有发挥复合材料各向异性及刚度耦合的特性，不能发挥出复合材料的高性能优势达到轻量化的目的，同时也造成了成本的居高不小；即现有的方案无法同时做到传力路径区域的分类、各向异性复合材料和金属材料选型配置以及结构构型布置，也无法同时进行功能化模块化集成的混合材料车体结构轻量化163设计。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种混合材料车体工程化轻量化方法及系统，采用混合材料轻量化优化技术，在一定成本下，充分发挥材料的性能优势，对大型结构进行合理的材料和构型布置设计，达到了成本可控情况下大型车体结构的材料选型和结构轻量化、功能集成和模块化的效果。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本发明提供了一种混合材料车体工程化轻量化方法，包括以下过程：
7.结合车体结构参数构建车体结构的初始有限元基础模型，对初始有限元基础模型进行自由尺寸优化；
8.根据自由尺寸优化后的模型得到车体结构单元厚度分布，根据车体结构单元厚度分布确定主载荷传力路径区域、弱载荷传力区域和非载荷传力区域，根据车体结构区域对上述三类区域分别划分子区域；
9.结合各传力路径每一角度铺层的厚度、形状及定位，确定各子区域各角度铺层占比及方向，进而确定主载荷传力区域及弱载荷传力区域形状、定位、方向及材料类型，进行各子区域的构件布置并结合构件刚度要求，得到混合材料车体结构骨架；
10.依据功能及制造工艺对混合材料车体结构骨架进行功能集成及模块化拆分，得到功能化模块化的混合材料车体。
11.作为可选的一种实现方式，根据车体结构参数构建车体结构的初始有限元基础模型，包括：
12.初始有限元基础模型包括壳单元，对基础模型设置复合材料属性及复合材料铺层角度，定义铺层角度的参考方向，轨道0
°
方向为车体的纵向方向，在0
°‑
180
°
划分至少两个
区域。
13.进一步的，铺层角度将铺层平面空间至少划分为四个区域。
14.作为可选的一种实现方式，根据设计标准或实际运营载荷工况设置主要边界条件和主要载荷工况，选择端部压缩、纵向载荷、垂向载荷为主要载荷工况。
15.作为可选的一种实现方式，对初始有限元基础模型进行自由尺寸优化，包括：
16.优化响应至少包括：质量、质量分数、体积、体积分数、柔度、频率、位移、应力、应变、力、复合材料响应、加权柔度、加权频率、柔度指数、频率响应、分析响应、自定义函数中的一项或多项；
17.目标策略为需要优化的响应函数，响应函数是设计变量的函数，设计变量包括但不限于材料性能参数、铺层角度、铺层厚度、铺层顺序及几何构型尺寸中的一种或多种。
18.作为可选的一种实现方式，各传力路径每一角度铺层的厚度、形状及定位，包括：
19.对区域铺层总厚度按照铺层角度进行拆分，分别得到各传力路径每一角度铺层的厚度、形状及定位。
20.作为可选的一种实现方式，确定各子区域各角度铺层占比及方向，包括：
21.判断各子区域铺层是否是以单向铺层为主，如是，则确定为复合材料构件；否则，优先确定为各向同性材料，或者准各向同性材料构件，或者根据得到的各子区域铺层占比及方向进行材料布置。
22.进一步的，以单向铺层为主，包括：
23.某一子区域中某一方向的辅层占此子区域的所有辅层数量的比例大于或者等于50％。
24.作为可选的一种实现方式，若某一子区域由各方向铺层共同组成，各铺层占比皆大于预设比例，则该子区域布置为各向同性材料。
25.作为可选的一种实现方式，根据各子区域的厚度及材料模量属性确定每个构件需要达到刚度要求。
26.作为可选的一种实现方式，构件的截面形状及所需刚度采用有限元子模型的方法及提取有限元截面力的方式确定。
27.第二方面，本发明提供了一种混合材料车体工程化轻量化系统，包括：
28.自由尺寸优化模块，被配置为：结合车体结构参数构建车体结构的初始有限元基础模型，对初始有限元基础模型进行自由尺寸优化；
29.区域划分模块，被配置为：根据自由尺寸优化后的模型得到车体结构单元厚度分布，根据车体结构单元厚度分布确定主载荷传力路径区域、弱载荷传力区域和非载荷传力区域，根据车体结构区域对上述三类区域分别划分子区域；
30.混合材料车体结构骨架生成模块，被配置为：结合各传力路径每一角度铺层的厚度、形状及定位，确定各子区域各角度铺层占比及方向，进而确定主载荷传力区域及弱载荷传力区域形状、定位、方向及材料类型，进行各子区域的构件布置并结合构件刚度要求，得到混合材料车体结构骨架；
31.混合材料车体生成模块，被配置为：依据功能及制造工艺对混合材料车体结构骨架进行功能集成及模块化拆分，得到功能化模块化的混合材料车体。
32.第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处
理器执行时实现本发明第一方面所述的混合材料车体工程化轻量化方法中的步骤。
33.第四方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的混合材料车体工程化轻量化方法中的步骤。
34.第五方面，本发明提供了一种轨道交通车辆底架结构，采用本发明第一方面所述的混合材料车体工程化轻量化方法设计。
35.第六方面，本发明提供了一种轨道交通车辆，采用本发明第一方面所述的混合材料车体工程化轻量化方法设计。
36.上述本发明的有益效果如下：
37.1、本发明采用混合材料轻量化优化技术，在一定成本下，充分发挥材料的性能优势，对大型结构进行合理的材料和构型布置设计，达到了成本可控情况下大型车体结构的材料选型和结构轻量化、功能集成和模块化的效果。
38.2、本发明通过自由尺寸优化分析传力路径中材料方向布置的方法，解决了车体结构中材料选型特别是各向异性复合材料和各向同性金属材料的选型布置、构件选型布置及布置缺乏系统科学方法及轻量化概念优化难以工程化的问题，根据各子区域各角度铺层的占比及方向确定构件材料选型、构件布置、构件所需刚度，将合适性能和成本的材料运用到结构合适的位置，最终充分发挥复合材料的各向异性和刚度耦合优势，极大的提高了车体结构轻量化水平，并将有助于车辆模块化和功能一体化的工程实现。
39.3、本发明所述的自由尺寸优化方法中，特别的将复合材料的厚度及铺层方向作为设计变量，并对铺层方向进行了设置，提高了优化结果的准确性。
40.4、本发明通过分析判断选取主要载荷工况，实现了保证了优化结果的合理性和收敛性，进一步实现了大尺寸工程结构的轻量化优化。
附图说明
41.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
42.图1为本发明实施例提供的混合材料车体工程化轻量化方法的流程示意图。
43.图2为本发明实施例提供的底架自由尺寸优化及区域分类示意图。
44.图3为本发明实施例提供的区域各角度铺层占比及方向示意图。
45.图4为本发明实施例提供的混合材料底架示意图。
46.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
47.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
48.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
49.正如背景技术所介绍的，现有结构优化技术是针对同种材料的结构优化，并不涉及材料的选型，针对优化的结果也缺乏工程化的解读方法，因此其优化结构也很难工程化，工程结构特别是大尺寸结构全部采用复合材料成本高昂，本发明提出了一种混合材料车体工程化轻量化方法，对复合材料车体结构模型的自由尺寸优化，通过合理的设置铺层材料参数和铺层顺序信息，并根据车体设计标准中载荷工况和边界条件的筛选对车体结构进行自由尺寸优化，进而得到车体结构的自由尺寸优化模型；对车体的自由尺寸结构进行分析解读，区分出主传力载荷区、弱传力载荷区和非传力载荷区，根据车体结构和传力路径对各载荷区进行进一步划分出各子载荷区，进一步对各子载荷区内每一角度铺层的厚度、形状进行分析，统计确立各子区域各角度铺层占比及方向，通过判读该区复合材料铺层是否以某一角度单向铺层为主，确定出该区域是采用各向异性复合材料还是采用各向同性或准各向同性材料等复合材料，并决定构件的布置方向；通过该方法确定混合材料车体的骨架结构，然后依据制造工艺和功能化对骨架结构进行功能集成及模块化拆分形成功能化模块化混合材料车体。
50.具体的，包括以下步骤：
51.s1：根据限界等设计条件建立车体结构的初始有限元模型，该有限元模型主要由壳单元组成，对基础模型设置复合材料属性及复合材料铺层角度，定义铺层角度的参考方向，轨道0
°
方向为车体的纵向方向，并按照每间隔a度进行设置到180
°
，总体而言0到180度之间至少有两个间隔比如0度和90度；
52.可以理解的，在其他一些实施方式中，角度的设置同样可以采用等间隔或者不等间隔的设置方法；
53.具体的，本实施例以0
°
、45
°
、90
°
、135
°
为例进行，一般来说，铺层角度应该将平面空间至少划分四个区域。
54.s2：根据设计标准或实际运营载荷工况设置主要边界条件和主要载荷工况，为了保障尺寸优化的收敛性和结果的合理性，选择端部压缩、纵向载荷、垂向载荷为主要载荷工况；
55.可以理解的，在其他一些实施方式中，本领域技术人员也可以根据具体的设计工况进行主要载荷工况的选择，这里不再赘述。
56.s3：设置优化响应、约束条件及目标策略；
57.优化响应包括质量，质量分数，体积，体积分数，柔度，频率，位移，应力，应变，力，复合材料响应，加权柔度，加权频率，柔度指数，频率响应分析响应等及其自定义组合、自定义函数；
58.目标策略为需要优化的系统的任何响应函数，该响应是设计变量的函数；例如：质量，应力，位移，转动惯量，频率，重心，屈曲因子等；
59.设计变量可以是材料性能参数，铺层角度、铺层厚度、铺层顺序及几何构型尺寸等中的一种或者多种，在本实例中设计变量是铺层的厚度及铺层角度；
60.约束条件根据设计标准中的规定工况或者实际运营工况进行设置；该实例的约束条件定义为材料的最大应变值、车体的底架纵向位移、底架垂向位移、车顶纵向位移，约束条件也可以定为其它响应。
61.s4：进行自由尺寸优化分析，获得自由尺寸优化分析结构。
62.s5：根据自由尺寸优化分析结构得到车体结构单元厚度分布，进而根据车体结构单元厚度分布确定主载荷传力路径区域、弱载荷传力区域及非载荷传力区域等三类区域；
63.如附图2所示，为经过自由尺寸优化分析得到的车体底架结构的单元厚度分布情况，进而对载荷区域进行划分，其中黑色区域为单元厚度较大的主要载荷传力区域、灰色系区域为弱载荷传力区域；
64.根据车体结构区域对三类区域进一步划分出子区域，比如窗角子区域、窗户下沿子区域、枕梁子区域、边梁子区域等。
65.s6：分析各传力路径每一角度铺层的厚度、形状及定位；如附图3所示对区域铺层总厚度按照铺层角度进行拆分，分别得到0
°
、45
°
、-45度(即135
°
和90
°
)铺层的单元厚度分布和形状。
66.s7：确立各子区域各角度铺层占比及方向，并判断各子区域铺层是否是以单向铺层为主；
67.具体的为：某一子区域中某一方向的辅层占此子区域的所有辅层数量的比例大于或者等于50％；
68.从附图3区域铺层总厚度中可以看出，最主要的载荷传力区域即深灰色区域主要以0
°
铺层为主，
±
45
°
铺层为辅，该主传力载荷区域主要以单向铺层为主，而不是各方向铺层都占有相当一部分比例，可以布置为各向异性复合材料区域；
69.区域铺层总厚度图中的黑色区域和次深灰色为非载荷传力区域以低成本各向同性材料布置为宜；总铺层厚度图中的浅灰色等区域为弱载荷传递区域，该载荷区域主要以
±
45
°
铺层为主，则同样可以设置为各向异性复合材料区域。若某一区域由0
°
、45
°
、-45度(即135
°
、90
°
)铺层各方向铺层共同组成，各铺层占比皆大于10％或其它合适比例(例如15％等等)，则该区域应布置为各向同性的低成本金属材料。
70.s8：通过以上判断各主载荷传力区域及弱载荷传力区域形状、定位、方向及材料类型进行构件布置，并根据构件区域单元的厚度及材料模量属性初步确定每个构件需要达到刚度要求；可以理解的，构件的截面形状及所需刚度也可以采用有限元子模型的方法及提取有限元截面力的方式确定，通过以上步骤得到混合材料车体结构骨架，这里以车体底架结构为例，如附图4所示，其中黑色和浅灰色为各向同性金属材料或准各向同性复合材料，深灰色为各向异性复合材料组成。
71.s9：依据功能及制造工艺对骨架结构进行功能集成及模块化拆分；比如附图4中的深灰色各向异性复合材料结构件都可以有几个梁进行整体成型而成以减少连接；最终获得功能化模块化的混合材料车体。
72.实施例2：
73.本发明实施例2提供了一种混合材料车体工程化轻量化系统，包括：
74.自由尺寸优化模块，被配置为：结合车体结构参数构建车体结构的初始有限元基础模型，对初始有限元基础模型进行自由尺寸优化；
75.区域划分模块，被配置为：根据自由尺寸优化后的模型得到车体结构单元厚度分布，根据车体结构单元厚度分布确定主载荷传力路径区域、弱载荷传力区域和非载荷传力区域，根据车体结构区域对上述三类区域分别划分子区域；
76.混合材料车体结构骨架生成模块，被配置为：结合各传力路径每一角度铺层的厚度、形状及定位，确定各子区域各角度铺层占比及方向，进而确定主载荷传力区域及弱载荷传力区域形状、定位、方向及材料类型，进行各子区域的构件布置并结合构件刚度要求，得到混合材料车体结构骨架；
77.混合材料车体生成模块，被配置为：依据功能及制造工艺对混合材料车体结构骨架进行功能集成及模块化拆分，得到功能化模块化的混合材料车体。
78.具体的，在自由尺寸优化模块之前，还包括：初始有限元模型构建模块和边界条件和主要载荷工况确定模块。
79.初始有限元模型构建模块，被配置为：根据限界等设计条件建立车体结构的初始有限元模型，该有限元模型主要由壳单元组成，对基础模型设置复合材料属性及复合材料铺层角度，定义铺层角度的参考方向，轨道0度方向为车体的纵向方向，并按照每间隔a度进行设置到180
°
，总体而言0到180度之间至少有两个间隔比如0度、90度；
80.可以理解的，在其他一些实施方式中，角度的设置同样可以采用等间隔或者不等间隔的设置方法；本实施例以0
°
、45
°
、90
°
、135
°
为例进行；一般来说，铺层角度应该将平面空间至少划分四个区域；
81.边界条件和主要载荷工况确定模块，被配置为：根据设计标准或实际运营载荷工况设置主要边界条件和主要载荷工况，为了保障尺寸优化的收敛性和结果的合理性，选择端部压缩、纵向载荷、垂向载荷为主要载荷工况；
82.可以理解的，在其他一些实施方式中，本领域技术人员也可以根据具体的设计工况进行主要载荷工况的选择，这里不再赘述。
83.自由尺寸优化模块，更具体的，包括：
84.设置优化响应、约束条件及目标策略；
85.优化响应包括质量，质量分数，体积，体积分数，柔度，频率，位移，应力，应变，力，复合材料响应，加权柔度，加权频率，柔度指数，频率响应分析响应等及其自定义组合或者自定义函数；
86.目标策略需要优化的系统的任何响应函数，该响应是设计变量的函数。例如：质量，应力，位移，转动惯量，频率，重心，屈曲因子等；设计变量可以是材料性能参数，铺层角度、铺层厚度、铺层顺序及几何构型尺寸等，在本实例中设计变量是铺层的厚度及铺层角度；
87.约束条件根据设计标准中的规定工况或者实际运营工况进行设置。该实例的约束条件定义为材料的最大应变值、车体的底架纵向位移、底架垂向位移、车顶纵向位移，约束条件也可以定为其它响应；
88.进行自由尺寸优化分析，获得自由尺寸优化分析结构。
89.区域划分模块，更具体的，包括：
90.根据自由尺寸优化分析结构得到车体结构单元厚度分布，进而根据车体结构单元厚度分布确定主载荷传力路径区域、弱载荷传力区域及非载荷传力区域等三类区域；
91.如附图2所示，为经过自由尺寸优化分析得到的车体底架结构的单元厚度分布情况，进而对载荷区域进行划分，其中黑色区域为单元厚度较大的主要载荷传力区域、灰色系区域为弱载荷传力区域；根据车体结构区域对三类区域进一步划分出子区域，比如窗角子
区域、窗户下沿子区域、枕梁子区域、边梁子区域等。
92.混合材料车体结构骨架生成模块，更具体的，包括：
93.(1)分析各传力路径每一角度铺层的厚度、形状及定位。如附图3所示对区域铺层总厚度按照铺层角度进行拆分，分别得到0
°
、45
°
、-45度(即135
°
和90
°
)铺层的单元厚度分布和形状；
94.(2)确立各子区域各角度铺层占比及方向，并判断各子区域铺层是否是以单向铺层为主；具体的为：某一子区域中某一方向的辅层占此子区域的所有辅层数量的比例大于或者等于50％；
95.从附图3区域铺层总厚度中可以看出，最主要的载荷传力区域即深灰色区域主要以0
°
铺层为主，
±
45
°
铺层为辅，该主传力载荷区域主要以单向铺层为主，而不是各方向铺层都占有相当一部分比例，可以布置为各向异性复合材料区域；
96.区域铺层总厚度图中的黑色区域和次深灰色为非载荷传力区域以低成本各向同性材料布置为宜；总铺层厚度图中的浅灰色等区域为弱载荷传递区域，该载荷区域主要以
±
45
°
铺层为主，则同样可以设置为各向异性复合材料区域。若某一区域由0
°
、45
°
、-45度(即135
°
、90
°
)铺层各方向铺层共同组成，各铺层占比皆大于10％或其它合适比例(例如15％等等)，则该区域应布置为各向同性的低成本金属材料；
97.(3)通过以上判断各主载荷传力区域及弱载荷传力区域形状、定位、方向及材料类型进行构件布置，并根据构件区域单元的厚度及材料模量属性初步确定每个构件需要达到刚度要求；可以理解的，构件的截面形状及所需刚度也可以采用有限元子模型的方法及提取有限元截面力的方式确定，通过以上步骤得到混合材料车体结构骨架，这里以车体底架结构为例，如附图4所示，其中黑色和浅灰色为各向同性金属材料或准各向同性复合材料，深灰色为各向异性复合材料组成。
98.混合材料车体生成模块，更具体的，包括：
99.依据功能及制造工艺对骨架结构进行功能集成及模块化拆分；比如附图4中的深灰色各向异性复合材料结构件都可以有几个梁进行整体成型而成以减少连接；最终获得功能化模块化的混合材料车体。
100.实施例3：
101.本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例1所述的混合材料车体工程化轻量化方法中的步骤。
102.实施例4：
103.本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的混合材料车体工程化轻量化方法中的步骤。
104.实施例5：
105.本发明实施例5提供了一种轨道交通车辆底架结构，采用本发明实施例1所述的混合材料车体工程化轻量化方法设计。
106.实施例6：
107.本发明实施例6提供了一种轨道交通车辆，采用本发明实施例1所述的混合材料车体工程化轻量化方法设计。
108.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。