基于拓扑优化设计的动力集中动车组车体变压器梁优化与减重.pdf

第 43 卷第 5 期2023 年 10 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.52023Oct.基于拓扑优化设计的动力集中动车组车体变压器梁优化与减重王肇凯1，刘云鹏1，王艺飞2，李加瑞2，张昭2（1 中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连 116022；2 大连理工大学 工业装备结构分析优化与 CAE 软件全国重点实验室，辽宁大连 116024）摘 要 建立了动力集中动车组车体的有限元模型，基于结构优化对变压器梁进行减重设计。以质量最小为目标，进行变压器梁在牵引工况下的拓扑优化，根据优化结果进行几何重构，对重构模型进行尺寸优化，达到减重目标。当变压器梁的材料采用 Q345 时，通过优化设计可以减重 137.7 kg，减重 21.7%。采用 Q460 材料时，变压器梁减重了 234.9 kg，减重 37.0%。结果表明文中提出的拓扑优化+尺寸优化的结构优化设计方法对车体零部件减重设计效果明显。关键词 拓扑优化；动力集中动车组；减重；变压器梁中图分类号：U266 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.05.06机车梁是承载的主要结构，其中中梁、侧梁、牵引梁、变压器梁等梁结构尤为重要。在动力集中动车组车体结构设计中，变压器梁承受关键载荷，其设计对整车运行安全性极为重要。针对车体结构的优化设计可以实现对车身质量控制和各型车体部件质量分配，对实现轴重的精确控制有明显的实用价值。结构优化通常分为3 种，分别针对几何形状、拓扑形貌和尺寸进行优化，其中形状优化和拓扑优化可以帮助设计人员确定几何结构拓扑形貌，尺寸优化可以帮助确定最终的设计尺寸。文献1采用拓扑优化确定了司机室加强肋的布局，并进一步设计了车体司机室的加强肋结构。文献2针对端墙结构的动态碰撞，进行了拓扑优化设计和进一步的板厚尺寸优化设计，通过优化设计，在满足碰撞安全性的前提下，实现了车体结构在降低正面碰撞力的同时吸能最大化。文献3针对动车机箱结构进行了拓扑优化设计，得出蒙皮加强肋的最佳布局型式，其一阶模态频率提高了 56.18%。文献4针对动车组转向架转臂进行了拓扑优化设计，在最大应力降低的同时，结构质量下降了 8.43%。文献 5基于拓扑优化的设计思想，以动车组行李架支座刚度最大化为设计目标，考虑材料体积约束，对结构材料布局进行优化设计。文献6针对机车牵引装置三角架进行了拓扑优化设计，最大应力和最大位移较优化前都明显降低的同时，重量降低了 6.8%。文献7基于渐进结构优化法（ESO），通过 APDL 语言编制拓扑优化程序，对某高速动力车辆转向架构架内部筋板位置进行了拓扑优化设计，尽管应力水平有所上升，但是应力分布更为均匀，结构减重了约 10%。以上工作表明，针对车体的拓扑优化设计逐渐成为车体设计的重要辅助手段，对车体结构和车体零部件结构的质量控制具有重要意义。Bendse 和 Kikuchi8基于均匀化的拓扑优化方法为拓扑优化的发展奠定了基础，之后发展出多种方法，包括密度法、水平集方法、渐进方法、相场法等9。通过拓扑优化方法，可以实现材料在承载下的最优材料布局，但是如何实现材料布局和具体结构尺寸的结合始终是产品拓扑优化设计所需要面临的主要问题。因此，基于传统的拓扑优化设计方法，发展出了多种新方法，以实现拓扑优化和结构设计的直接关联，形成了一系列拓扑优化方法：移动可变形组元方法10-11、面向确定工业领文章编号：1008-7842（2023）05-0038-06引用格式：王肇凯,刘云鹏,王艺飞,等.基于拓扑优化设计的动力集中动车组车体变压器梁优化与减重J.铁道机车车辆,2023,43(5):38-43.第一作者：王肇凯（1987-）男，工程师（修回日期：2023-05-30）通信作者：张 昭（1979-）男，教授第 5 期基于拓扑优化设计的动力集中动车组车体变压器梁优化与减重域的拓扑设计12-14、特征驱动方法15、面向具有不确定性特征参数的拓扑计算方法16-17等。其中，移动可变形组元方法使用可移动可变形的组件表示拓扑优化区域，具有计算变量少、拓扑优化效率高、边界清晰、易于执行、得到的最优结果能够直接用于几何建模等优点，其执行程序已经开源，见文献 10。从上述进展可以看到，如何实现拓扑优化方法和直接结构设计的结合是拓扑优化设计工程化应用的关键。因此，文中提出了一种拓扑优化+尺寸优化的一体化方法，对某型动力集中动车组车体牵引梁结构进行参数化设计，确定结构的最后尺寸和结构布局，在满足 TB/T 35482019 机车车辆强度设计及试验鉴定规范 总则 和 BS EN 12663-1：2010 铁路应用铁路车辆车体的结构要求等 相 关 标 准 的 前 提 下，实 现 最 大 程 度 的 结 构减重。1 结构优化模型 以某型动力集中动车组车体为例，如图 1 所示，车体大部分组件采用 Shell 单元进行网格划分，并对其赋予不同厚度进行模拟，直角支撑位置、驾车点位置实体采用三维实体单元进行网格划分和数值模拟。综合车体结构尺寸，Shell 单元的参考尺 寸 确 定 为 0.03 m，最 小 Jacobian 为 0.3，共 包 含403 027 个节点和 417 976 个单元，属于大规模计算问题。通过附加质量的方法保证有限元车体质量与实际车体质量保持一致。变压器梁在牵引工况下承载最大，选择牵引工况进行拓扑优化设计。先进行拓扑优化的有限元计算，再根据解读后的优化结果重构变压器梁模型，代替原模型的变压器梁结构。将变压器梁设计域确定为 3 069344419 mm 的设计空间，在此空间内进行优化设计，优化列式为式（1）18：Min：S(d)=i=1niCi(d)s.t.：i=1nmi-M 0 0 d 1 i=1，n C=iCi=12iuTifi（1）式中：C为总的加权应变能；fi为第 i 个工况的载荷；Ci为第 i 个工况的柔度目标函数；i为各个工况的柔度函数的权重，其取值在 01 之间；uTi为位移矩阵的转置矩阵；mi为第 i 个单元的质量；M 为优化区域质量；d 为单元密度。变压器梁结构优化如图 2 所示。根据拓扑优化后得到的变压器梁构型在有限元模型中进行重构，采用最优尺寸设计的变压器梁代入整车计算模型中进行静态强度校核，以满足图 1动力集中车车体有限元模型图 2变压器梁结构优化示意图39铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 TB/T 35482019、TB/T 25412010、EN 12663-1-2010 相关标准的要求19。几何尺寸优化的优化列式为式（2）：Min：Ms.t.：s 1 t1，t2，t3，t4，t5，初始厚度 Ku=P（2）式中：M 为目标质量，目标函数为目标质量最小；s为目标材料的屈服强度；t1、t2、t3、t4、t5等设计参数为厚度，在优化设计中，其具体数值以不超过原始设计为准。变压器梁各板厚设计如图 3 所示。2 结果与讨论 优化结果如图 4 所示，可以看出优化后的变压器梁大体形状与原有设计基本相似，但是侧板形状与原结构形状有所不同。基于拓扑优化的计算结果，对变压器梁结构进行几何重构，并划分有限元网格，如图 5 所示。将重构后的变压器梁有限元模型导入车体结构中，进行尺寸优化，选择 2 种材料方案：一种材料为 Q345；另一种材料为 Q460。当变压器梁材料采用 Q345 时，尺 寸 优 化 后 得 到 的 变 压 器 梁 尺 寸见表 1。优 化 设 计 后 得 到 的 板 厚 数 值 需 要 调 整 为 整数，对优化设计参数的具体数值通过向上取整进行归整，得到的设计参数见表 2。将重构后的变压器梁结构各板厚度改为归整后的厚度，进行牵引工况计算，得到的 Mises 应力云图如图 6 所示。经过拓扑优化和尺寸优化后，变压器梁最大应力为 320.3 MPa，小于 Q345 的许用应力，如图 6（b）所示。在满足强度要求的前提条件下，与原始结构相比，减重了 137.7 kg。当材料选择为 Q460 时，尺寸优化后得到的变压器梁结构尺寸见表 3，可以看到，相对于原始设计参数，优化后的变压器梁 t1t4明显减小，但是 t5保持不变，这意味着 t5实际上不可优化，是主承力的板件。尺寸优化后的板厚涉及小数，因此也需对优化后的尺寸进行归整，见表 4。将重构后的变压器梁结构各板厚度改为归整图 3变压器梁几何尺寸优化的各设计参数图 4变压器梁的拓扑形貌图 5重构的变压器梁有限元模型表 2局部优化后板厚归整单位：mm设计参数t1t2t3t4t5优化前板厚88666归整后板厚65466表 1局部优化前后板厚对比单位：mm设计参数t1t2t3t4t5优化前板厚88666优化后板厚5.3194.3633.4365.5896.00040第 5 期基于拓扑优化设计的动力集中动车组车体变压器梁优化与减重后的厚度，代入整车计算模型中进行牵引工况计算来校核尺寸优化后整车模型的强度，得到的 Mises应力云图如图 7 所示。采用优化设计后的重构变压器梁最大应力为 445 MPa，小于 Q460 的许用应力，如图 7（b）所示。在满足强度要求的前提下，与原始结构相比，减重了 234.9 kg。从尺寸优化后的减重效果可以看出，变压器梁结构的拓扑形貌对变压器梁的轻量化设计有关键影响，采用不同变压器梁得到的结构尺寸优化减重效果不同。文中得到的变压器梁拓扑优化后的形貌与原始结构的对比如图 8 所示，结构几何形貌有明显改进，减重效果明显。3 结论 文中提出了一种拓扑优化+尺寸优化的一体化设计方法，对动力集中动车组变压器梁进行减重设计。采用拓扑优化方法对动力集中动车组变压器梁进行拓扑优化设计，对拓扑优化后的形貌进行几何重构，划分有限元网格，进行尺寸优化设计。当变压器梁材料采用 Q345 时，满足强度要求的 同 时，结 构 质 量 由 原 始 设 计 的 634.68 kg 降 低图 6牵引工况下整车和局部变压器梁的 Mises 云图表 3局部优化前后板厚对比单位：mm设计参数t1t2t3t4t5优化前板厚88666优化后板厚3.0003.0002.4994.3456.000表 4局部优化后板厚归整单位：mm设计参数t1t2t3t4t5优化前板厚88666归整后板厚33356图 7牵引工况下整车和局部变压器梁的 Mises 云图图 8不同拓扑形貌对比图41铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 137.7 kg，减重 21.7%。当变压器梁材料使用 Q460时，满足强度要求的同时，结构质量由原始设计的634.68 kg 降低 234.9 kg，减重 37.0%。相关计算表明，提出的拓扑优化+尺寸优化的一体化设计方法，能有效实现动力集中动车组变压器梁的减重设计。参考文献1 张 昭，谷思生，王明杰，等.大功率电力机车车体与变压器关键部位强度计算及设计J.计算力学学报，2009，26（3）：385-389.2 刘丰嘉，唐 兆，张建军.机车车辆端部结构拓扑参数一体化优化方法J.机械工程学报，2020，56（20）：134-145.3 骆晓玲，杜成龙.基于 Altair-OptiStruct 标准型动车机箱结构拓扑优化设计J.机械与电子，2020，38（2）：49-52.4 李 超，商跃进，王 红.动车组转向架转臂拓扑优化设 计 J.兰 州 交 通 大 学 学 报，2015，34（6）：131-133，157.5 王晓明，宋晓文，刘德刚，等.动车组行李架支座结构拓扑优化设计J.铁道车辆，2013，51（2）：11-14，1.6 姚皓杰，商跃进，王 红，等.基于 ANSYS 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Optimization and Weight Reduction of Transformer Beam in Power Concentrated EMUWANG Zhaokai1，LIU Yunpeng1，WANG Yifei2，LI Jiarui2，ZHANG Zhao2（1 CRRC Dalian Co.,Ltd,Dalian 116022 Liaoning,China；2 State Key Laboratory of Structural Analysis,Optimization and CAE Software for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116024 Liaoning,China）Abstract：The finite element model of power concentrated EMU was established and the weight reduction design of transformer beam was carried out based on structural optimization.Minimizing the mass is selected to be the objective of the topological optimization of the transformer beam under the traction condition.The transformer beam model was re-built according to the results after the topological optimization.Then,the sizes of the re-built geometry were optimized for the final determination of the weight reduction of the transformer beam.When Q345 is selected to the material,the weight of the transformer beam can be reduced by 137.7 kg and 21.7%.When Q460 is selected to the material,the weight of the transformer beam can be reduced by 234.9 kg and 37.0%.The results show that the proposed hybrid topological and size optimization method is efficient for the weight reductions in the design of components in power concentrated EMU body.Key words：topological optimization；power concentrated EMU；weight reduction；traction beam43