铁道车辆设备附件安装架轻量化设计

                                          图 2.1 白车身开发C1阶段：构建设计空间&定义载荷路径

                                                图2.2 白车身开发C2阶段：板杆梁低保真模型

                                               图2.3 白车身开发C3阶段：精细化有限元模型

       事实上在零部件级别的轻量化设计研究中，同样可以采用类似C123设计方法的正向研发体系，帮助设计人员快速完成兼具轻量化特性及优异刚强度性能的概念模型的搭建。本文的第3、4、5节，即按照类C123设计方法，分别完成了设备安装架的三轮概念设计。其中，第3节，对经设计空间提取的传力路径模型进行了第一轮粗校核；第4节中，对通过粗校核的传力路径模型，基于PolyNURBS技术进行了几何重构，对重构后的概念设计模型进行了第二轮校核；第5节中，则针对零件部分区域存在的表面应力集中问题，通过自由形状优化技术进行了局部详细设计阶段的优化设计。

2.2 关于BS EN 12663-1:2010标准

     BS EN 12663-1:2010标准，英文全称为Railway applications-Structuralre quirements of railway vehicle bodies EN 12663-1:2010，即铁路设施.铁路车辆车身的结构要求（2010修订版），由欧洲标准学会（EN）发布，为欧洲铁道行业强制执行的国际标准，并广泛为国内的铁道车辆主机厂采用。该标准第一部分为机车和铁路客运车辆及铁路货运车辆的选用方法，对车体内外各部类及零件的设计及校核方法进行了明确的规定。

如图2.4 所示，为笔者为本次参赛，自行设计的车下设备安装架及其总体布局。四组安装架以对置形式将负载悬吊于于车体下方；各安装架通过两组共四枚M10螺栓与车体连接；支架整体截面形态为L型挂钩结构，并在其上表面铸有INSPRE 2020铭文；单个安装架的平均负载为50kg。

                                                        图2.4 安装架几何形态及位置

      EN 12663-1:2010规定车外设备安装架结构的校核载荷为静强度载荷和疲劳载荷两种。以P-III类型，即地铁、轻轨和快轨车型为例，静强度载荷工况为：

      1）垂向载荷：大小为（1+C）倍重力加速度，方向为建模坐标系Z轴负向。其中C的取值范围为0.0至2.0，视安装架距车体端部距离而改变。在本文算例中取极端工况，即C=2.0进行校核；

      2）横向载荷：大小为1倍重力加速度，方向为建模坐标系Y轴正负向；

      3）纵向载荷：大小为3倍重力加速度，方向为建模坐标系X轴正负向。本文算例中考虑结构为镜像对称形态，因此仅需对X轴正向的工况进行校核。

      以上三组校核工况通过条件为材料应力水平应位于材料屈服极限内。

     此外欧标中还有针对疲劳工况的设计要求，相关研究内容将在第5节中进行介绍。

     以上述工况为校核标准，首先对原版设计方案进行了基线分析。将50kg的平均负载以集中质量形式添加至模型中并完在Altair HyperMesh中完成了有限元建模工作。如图2.5及图2.6所示，为安装架在Z -3G工况作用下的总体变形云图和Von Mises应力云图。其最大变形量为1.122mm（保留三位有效数字，以下同），最大变形出现位置位于集中质量安置点处；最高应力水平为127.562MPa，位于安装架转角处。

                                    

图2.5 原始安装架总体变形云图-Z -3G工况

图2.6 原始安装架Von Mises应力云图-Z -3G工况

        显然，由于笔者的设计水平有限，因此原始设计方案具有较高的静态变形量及很高的应力水平。大量材料堆积于结构顶部用于构建“INSPIRE 2020”形态铭文，而参与集中质量吊装的材料总量仅占总体材料的一小部分。

       传统的迭代式设计方法以方案改型的形式进行效能提升，对于一个糟糕的初始设计方案，很难通过简单的小修小补完成产品性能的大幅提升。因此，需要考虑引入仿真驱动设计的开发思想，对原始设计方案进行颠覆性的设计创建。

3.基于Inspire的第一轮概念设计：传力路径提取

       在Inspire平台中，在保证未来生成的传力路径模型与外部几何形态不发生干涉的基础上，构建的总体设计空间如图3.1所示。可以看到，该设计空间模型中保留了原有安装架的对外接口（4*M10螺栓孔），以及用于吊装负载的底部平台及安装接口。

                                                                   图3.1 设计空间

与传力路径提取相关的一些其他参数包括：目标函数为模型质量最轻；设计约束条件为安全系数约束；模型平均单元尺寸4mm，添加了大小为20mm的最小团块尺寸约束和大小为60mm的最大团块尺寸约束，以满足未来铸造的工艺要求；在模型中添加了沿全局坐标系Z轴方向的双向脱模约束，以及平行于Y-Z平面的模型对称要求。

在此基础上提取的传力路径模型如图3.2所示：

                                                          图3.2 传力路径模型

针对传力路径模型的粗校核结果显示该模型具有良好的强度性能潜力。如图3.3所示，以Z -3G工况为例，该工况作用下，传力路径模型最大Von Mises应力水平约为32.370MPa。

                            图3.3 传力路径模型（C1模型）粗校核结果-Von Mises应力-Z -3G工况

表3.1给出了计算结果汇总。

表3.1 传力路径模型（C1模型）校核结果汇总

工况编号及名称	最大变形量（mm）	最高应力水平（MPa）
1.Z -3G	\	32.370
2.X +3G	\	37.270
3.Y +1G	\	37.150
4.Y -1G	\	37.150

4.基于PolyNURBS构型技术的第二轮概念设计模型构建及校核

在上一节的研究中，提取的传力路径模型（C1模型）已经体现了良好的刚度/强度性能潜力。但该模型是由若干四面体单元通过逼近与堆叠形成的近似构型，因此还需要对其做进一步的表面光顺化和再造型处理，以使其具有一定的工艺可行性。SolidThinking Inspire提供了基于PolyNURBS的快速构型技术，帮助用户基于传力路径模型快速生成光顺化处理后的几何构型，并以STEP或Parasolid等标准中间格式进行输出。

如图4.1所示，为正在进行光顺化及再造型处理的PolyNURBS模型。

                                            图4.3 C2模型强度校核有限元模型-OptiStruct版本

        校核工况与原始版本安装架相同，按照EN12663-1:2010标准，分别为沿全局坐标系Z轴负方向，大小为3g的惯性载荷；沿全局坐标系X轴方向，大小为3g的惯性载荷；以及沿全局坐标系Y轴正负方向，大小均为1g的惯性载荷。如图4.4及图4.5所示，以Z -3G工况为例，给出了位移云图及Von Mises应力云图。

                                           图4.4 安装架总体变形云图-C2模型-Z -3G工况

                                          图4.5 安装架总体Von Mises应力云图-C2O型-Z -3G工况

表4.1对C2模型的校核结果进行了汇总。C2模型的质量为3.156kg。

表4.1 第二轮概念设计模型（C2模型）计算结果汇总

工况编号及名称	最大变形量（mm）	最高应力水平（MPa）
1.Z -3G	0.027	23.419
2.X +3G	0.030	26.131
3.Y +1G	0.067	28.718
4.Y -1G	0.067	28.718

5.自由形状优化方法在安装架第三轮概念设计（C3阶段）中的应用

C2阶段生成的第二轮概念设计模型已具备了优异的刚强度性能，已充分满足了EN12663-1:2010标准中对零件静强度工况校核的要求；除静强度工况外，欧标中对零件的另一类主要的技术要求为零件疲劳性能考核。以车下设备安装架为例，其校核疲劳工况为：

1）垂向载荷，即全局坐标系Z轴负向，大小为1+ 0.15g；

2）横向载荷，即全局坐标系X轴正负向，大小为± 0.15g；

3）纵向载荷，即全局坐标系Y轴正负向，大小为± 0.15g。

上节获取的C2阶段模型可以轻松满足各组疲劳工况的要求；但将该设计方法推广至其他零件时，若获取的C2阶段设计模型，其局部有明显的表面应力集中导致潜在的疲劳失效，那么则需要引入详细设计阶段工具，进一步微调零件几何外形，在满足加工工艺要求的前提下降低局部应力水平，以满足疲劳工况的挑战。

OptiStruct提供了强有力的工具应对疲劳优化问题。形状优化（Shape Optimization）基于用户定义的变形预案，可直接针对疲劳性能进行优化；自由形状优化（Free Shape Optimization）通过扰动节点组空间位形的方式，特别适用于解决零件局部应力集中问题，从而间接提高零件的疲劳性能，且适宜于与铸造工艺进行联动。

将C2模型输入HyperMesh，并根据自由形状优化的设计要求，选择如图5.1所示的节点组为待扰动节点组，并设置扰动方式为同时支持生长与内缩。设置扰动因子（mvfactor）为0.5，设置平滑层数（nsmooth）为10。自由形状优化支持种类繁多的加工工艺约束，在本算例中，设置了节点扰动形式关于单平面对称的约束条件。

                                                   图5.1 自由形状优化设计变量：待扰动节点组位置

另外如果需要精确提取结构表面应力结果，则必需对零件表面做包壳处理。本算例仅作为流程演示，因此省略了该工序。

如图5.2所示，未经优化前，此前进行的仿真结果显示，极端严苛工况为 Y +1g工况及Y -1g工况。以Y +1g工况为例，在该工况作用下，局部最高应力水平约为28.718MPa，在四支架与螺栓连接处均出现了不同程度的应力集中。

                                 图5.2 安装架总体Von Mises应力云图-C2模型-Y 1G工况

       优化迭代经三步达到收敛。如图5.3所示，经优化后，C3模型，结构高应力区最大Von Mises应力水平由28.718MPa降低到24.191MPa，下降了约15.77%。

                                图5.3 安装架总体Von Mises应力云图-C3模型-Y 1G工况

经优化后，结构总体质量由C2模型的3.156kg，轻微增加0.142kg，至3.298kg。

C3模型的刚度及强度特性校核结果如表5.1所示。可以看到轻微的材料质量增加带来了各组工况下明显的应力水平降低。

表5.1 C3模型刚度及强度特性校核结果

工况编号及名称	最大变形量（mm）	最高应力水平（MPa）
1.Z -3G	0.027	23.261
2.X +3G	0.029	24.987
3.Y +1G	0.065	24.191
4.Y -1G	0.065	24.191

在HyperView中，可以通过Design History查看具体的节点扰动情况。如图5.4和图5.5所示，分别为节点扰动量云图及节点扰动量矢量图。在后处理中可以将扰动后的节点构型进行输出，并作为后续详细设计改型的基础。

                                                              图5.4 节点扰动云图

                                                             

                                                             图5.5 节点扰动矢量图

6.总结

如图6.1所示，至此经过三轮优化设计，在EN12663-1:2010标准框架内，完成了基于静强度工况指标校核的支架轻量化设计。

 

                                                      图6.1 安装架轻量化设计流程

    表6.1给出了原始版本模型及经3轮优化后的C3模型的刚度及强度性能对比。

表6.1 优化前后性能对照

优化后安装架性能	质量：3.298千克
工况编号及名称	最大变形量（mm）	最高应力水平（MPa）
1.Z -3G	0.027	23.261
2.X +3G	0.029	24.987
3.Y +1G	0.065	24.191
4.Y -1G	0.065	24.191
优化前安装架性能	质量：7.408千克
工况编号及名称	最大变形量（mm）	最高应力水平（MPa）
1. Z -3G	1.122	127.562
2. X +3G	0.531	111.396
3. Y +1G	0.659	83.210
4. Y -1G	0.659	83.210

 

本报告的研究初步完成了零件的轻量化设计，后续还需开展但并未包含在本报告中的工作内容包括：

1. 将C3阶段的中立格式几何模型，在CAD软件中重制图为参数化几何模型，作为定型设计方案；

2. 对定型设计方案进行强度校核；

3. 对定型设计方案进行疲劳校核；

4. 模型归档。