自由形狀優化技術在某不銹鋼地鐵車體設計中的應用

張寅河　李新康　趙思聰

摘 要：不銹鋼車體已成為目前地鐵車輛輕量化發展的方向之一。在不銹鋼車體結構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，非常適合應用自由形狀優化技術完成結構優化設計。

關鍵詞：不銹鋼地鐵車體;自由形狀優化技術;Optistruct優化軟件

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.11.101

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、使用壽命長和環保性能好等優點，已成為目前地鐵車輛輕量化發展的方向之一。結構優化是指通過結構分析，在給定的設計空間實現滿足使用要求，且具有最佳性能或最低成本的工程結構設計技術。結構優化中的自由形狀優化技術能夠基于選定的有限元邊界節點自由變形，自動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，非常適合將自由形狀優化技術應用于不銹鋼地鐵車體結構優化。

2 數值算例

圖1所示為不銹鋼地鐵車體某部位在標準規定的壓縮載荷下的von Mises應力云圖，由圖中可知，該部位最大應力為411.1MPa，超過了Q355材料的屈服極限355MPa。下面介紹如何采用OptiStruct結構優化軟件對此部位進行自由形狀優化。

2.1 創建自由形狀設計變量

在OptiStruct結構優化軟件中，通過free shape控制面板創建自由形狀設計變量shape，并定義自由變形的節點，如圖2所示。通過parameters子面板選擇grow作為direction，設置mvfactor=0.5，nsmooth=10，如圖3所示。

2.2 定義優化響應

在結構優化中，OptiStruct可以使用有限元分析中的多種結構響應或者這些響應的組合來定義目標函數和約束函數。如圖4所示，通過response面板定義應力響應Stress和質量響應Mass，其中，應力響應Stress中關聯自由變形節點附近的單元，質量響應Mass中關聯自由變形節點所在部位的屬性。

2.3 定義優化約束

如圖5所示，通過dconstrains面板定義優化約束stress_con，選定約束目標為最大應力不超過355MPa，并關聯響應Stress。

2.4 定義目標函數

如圖6所示，通過objective面板定義優化目標函數，優化目標為響應Mass最小化。

2.5 利用OptiStruct求解并查看優化結果

在OptiStruct中提交優化計算，并采用HyperView查看優化結果。如圖7所示，經過自由形狀優化，該部位處最大應力下降至335.1MPa，滿足強度要求。其中，原有設計輪廓如黑虛線所示。

3 結論

本文介紹了自由形狀優化技術在某不銹鋼地鐵車體設計中的應用。利用OptiStruct優化軟件，定義了自由形狀優化問題的優化變量、約束條件和目標函數，最終解決了局部應力超過屈服極限的問題。

參考文獻

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