铁道车辆设备附件安装架轻量化设计

摘要：以铁道车辆设备附件安装架轻量化设计开发流程为研究对象，介绍了在类C123设计思想引导下，基于SolidThinking Inspire和BS EN 12663-1:2010标准及仿真驱动设计理念，完成目标零部件结构优化设计的主要流程和技术重难点。

关键词：铁道车辆；EN12663-1:2010；C123设计方法；SolidThinking Inspire

 研究背景

多年来，在制造业的产品设计、开发和测试等领域，仿真工程师的愿景是通过仿真设计和验证，在实物样机模型构建前，即探索具有最优性能的虚拟样机模型，提前查找故障缺陷，并提出解决方案，进而缩短产品开发周期。然而，由于工程师在创建仿真模型时需要较长的时间，无法与设计团队的进度需求相匹配，因此很多场景下，仿真技术仅在验证过程中发挥作用。另一方面，即使仿真工具被允许用于产品性能优化，往往也处于产品开发的后期，允许仿真工程师进行优化设计探索的空间已非常狭小，整体设计的变化要么无法实现要么极为昂贵。

如果能将模拟和优化作为设计工具，在产品开发的概念设计阶段即介入仿真，那么则可以充分利用模型的优化潜力，获取更多的设计信息，以开发出具有更优性能的概念设计模型，并在此基础上丰富和完善成为详细设计模型。

为了应对这一挑战，Altair创建了C123开发方法，即Concept 1-2-3方法。其将仿真驱动设计的概念设计模型开发分为了严整的三个阶段：

1. C1阶段，搭建概念设计优化模型，明确其三要素。通过拓扑优化方法提取产品基本的传力路径模型，或称为载荷路径。在后续的设计中，传力路径模型将作为产品总体布局的依据；

2. C2阶段，基于C1阶段提取的传力路径模型，根据其自身形态特点，构建基于板杆梁模式的低保真模型，或直接根据传力路径模型，构建低保真度几何模型，并对其进行校核。在该阶段，普遍使用包括局部拓扑优化，形状/尺寸优化等手段进一步进一步发掘模型的优化潜力；

3. C3阶段，基于C2阶段获取的第二轮概念设计模型，对设计方案进行精细化几何重建，并充分运用包括形状优化/自由形状优化，尺寸优化等手段，对设计方案的细节进行改良。

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。