地鐵車體設(shè)計(jì)中自由形狀優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用范文

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摘要：不銹鋼車體已成為目前地鐵車輛輕量化發(fā)展的方向之一。在不銹鋼車體結(jié)構(gòu)中常用的奧氏體不銹鋼及高耐候鋼都具有易加工成形的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用自由形狀優(yōu)化技術(shù)完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：不銹鋼地鐵車體；自由形狀優(yōu)化技術(shù)；Optistruct優(yōu)化軟件

1前言

不銹鋼地鐵車體因具有制造維修成本低、防腐蝕性能高、使用壽命長(zhǎng)和環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前地鐵車輛輕量化發(fā)展的方向之一。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指通過結(jié)構(gòu)分析，在給定的設(shè)計(jì)空間實(shí)現(xiàn)滿足使用要求，且具有最佳性能或最低成本的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的自由形狀優(yōu)化技術(shù)能夠基于選定的有限元邊界節(jié)點(diǎn)自由變形，自動(dòng)確定具有最佳性能的邊界形狀。不銹鋼地鐵車體中常用的SUS301L、SUS304奧氏體不銹鋼和Q355高耐候鋼都具有易加工成形的特點(diǎn)，非常適合將自由形狀優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于不銹鋼地鐵車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2數(shù)值算例

圖1所示為不銹鋼地鐵車體某部位在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓縮載荷下的vonMises應(yīng)力云圖，由圖中可知，該部位最大應(yīng)力為411．1MPa，超過了Q355材料的屈服極限355MPa。下面介紹如何采用OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件對(duì)此部位進(jìn)行自由形狀優(yōu)化。

2．1創(chuàng)建自由形狀設(shè)計(jì)變量

在OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件中，通過freeshape控制面板創(chuàng)建自由形狀設(shè)計(jì)變量shape，并定義自由變形的節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。通過parameters子面板選擇grow作為direction，設(shè)置mvfactor＝0．5，nsmooth＝10，如圖3所示。

2．2定義優(yōu)化響應(yīng)

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，OptiStruct可以使用有限元分析中的多種結(jié)構(gòu)響應(yīng)或者這些響應(yīng)的組合來定義目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)。如圖4所示，通過response面板定義應(yīng)力響應(yīng)Stress和質(zhì)量響應(yīng)Mass，其中，應(yīng)力響應(yīng)Stress中關(guān)聯(lián)自由變形節(jié)點(diǎn)附近的單元，質(zhì)量響應(yīng)Mass中關(guān)聯(lián)自由變形節(jié)點(diǎn)所在部位的屬性。

2．3定義優(yōu)化約束

如圖5所示，通過dconstrains面板定義優(yōu)化約束stress＿con，選定約束目標(biāo)為最大應(yīng)力不超過355MPa，并關(guān)聯(lián)響應(yīng)Stress。

2．4定義目標(biāo)函數(shù)

如圖6所示，通過objective面板定義優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)為響應(yīng)Mass最小化。

2．5利用OptiStruct求解并查看優(yōu)化結(jié)果

在OptiStruct中提交優(yōu)化計(jì)算，并采用Hyper－View查看優(yōu)化結(jié)果。如圖7所示，經(jīng)過自由形狀優(yōu)化，該部位處最大應(yīng)力下降至335．1MPa，滿足強(qiáng)度要求。其中，原有設(shè)計(jì)輪廓如黑虛線所示。

3結(jié)論

本文介紹了自由形狀優(yōu)化技術(shù)在某不銹鋼地鐵車體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。利用OptiStruct優(yōu)化軟件，定義了自由形狀優(yōu)化問題的優(yōu)化變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)，最終解決了局部應(yīng)力超過屈服極限的問題。

參考文獻(xiàn)

［1］黃志宏，許彥強(qiáng)．不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析要點(diǎn)［J］．鐵道車輛，2012，（6）：14－17．

［2］洪清泉，趙康，張攀．OptiStruct＆HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：9－12．

作者：張寅河 李新康 趙思聰 單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司