CN105550434B - 一种机车车体轻量化优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车车体轻量化优化方法，包括步骤A.写一个对壳单元组件的单元厚度进行参数化的第一APDL脚本文件；B.写一个提取并写出节点组件的最大应力的第二APDL脚本文件；C.写一个第三APDL脚本文件；写一个第四APDL脚本文件；写一个第五APDL脚本文件；写一个第六APDL脚本文件；D.搭建task流程；E.进行DOE计算；F.取参与求和的敏感度值所对应的设计参数参与优化计算；G.以满足强度和刚度约束条件而且使目标值最小的一组设计参数的值作为优化计算的各个设计参数的初始值；H.进行优化计算；I.最先满足全部工况要求的解，就是优化计算的结果。本发明优化效果好，能充分发挥车体各个部件的承载能力，使车体重量大幅度减轻。

Description

一种机车车体轻量化优化方法

技术领域

本发明属于轨道车辆领域，特别涉及一种机车车体轻量化优化方法。

背景技术

车体轻量化是机车车体设计追求的目标。现有的机车车体轻量化设计是基于ansys等有限元计算软件优化计算进行的。ansys是一种应用广泛的CAE（Computer AidedEngineering，计算机辅助工程）分析软件，具有优化分析功能，通过把计算模型参数化，确定设计变量、约束变量和目标变量，生成分析文件，选择优化算法对设计变量进行优化。

由于ansys软件自身的局限性，只能定义单个目标函数以及数目较少的设计变量和约束变量，而且优化算法类型少，因此ansys只适合于设计变量和约束变量较少、目标函数单一的小零部件的优化计算。当设计变量和约束变量过多时，利用ansys优化计算的效率很低，并且很难得出理想的结果。

机车车体包含的零部件众多，因而设计变量很多，同时机车车体还要满足强度和刚度的要求，因而约束变量很多，现有技术中的利用ansys软件进行机车车体轻量化的方法只能考虑少数设计变量和约束变量，目标变量只有机车车体重量。要对整个机车车体进行轻量化优化设计，采用传统的轻量化计算方法不能实现对整车进行多设计变量、多约束变量、多目标变量的优化计算。

发明内容

使用现有的基于ansys等有限元计算软件对机车车体进行轻量化优化时，设计变量和约束变量少，目标单一，计算效率低，结果不理想。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种改进了的机车车体轻量化优化方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种机车车体轻量化优化方法，包括步骤

A.把组成车体有限元计算模型的壳单元按不同材料、不同厚度、不同部件进行分组，建立不同材料、不同厚度、不同部件的壳单元组件，将各个壳单元组件的单元厚度参数化；写一个对各个壳单元组件的单元厚度进行参数化的第一APDL脚本文件；

B.对计算模型中的不同材料的焊缝和非焊缝节点进行分组，并建立若干节点组件；写一个提取并写出各个节点组件的最大应力的第二APDL脚本文件；

C.写一个用于读入计算模型、读入设计参数和强度计算工况并进行强度计算、读入第二APDL脚本文件的第三APDL脚本文件；所述设计参数为步骤A中参数化后的各个壳单元组件的单元厚度；写一个提取并写出计算模型全部壳单元质量的第四APDL脚本文件；写一个提取并写出计算模型低阶垂向弯曲固有频率的第五APDL脚本文件；写一个用于读入计算模型、读入设计参数、读入第四APDL脚本文件、进行模态计算、读入第五APDL脚本文件的第六APDL脚本文件；

D.在isight软件中搭建task流程并调试直至正确；task流程是一个单次流程，即流程中的每项工作只执行一次，目的是测试所搭建的仿真流程能否完整地从头走到尾，能走通就是正确的。task流程主要包括将原始模型参数化，更新参数文件，将参数文件加载到原始模型生成新的模型，进行计算应力、位移、质量和频率的求解，获取应力、位移、质量和频率的计算结果。

E.把过程组件task改成过程组件DOE，得到DOE计算流程，按设计参数的个数确定DOE计算的样本点数，设置各个设计参数的取值范围，选择DOE计算的算法，设置目标变量，进行DOE计算；F.对设计参数进行敏感度分析，按照敏感度从大到小依次叠加求和，设置敏感度求和阈值，当求得的敏感度和值大于或等于敏感度求和阈值时，停止求和并取参与求和的敏感度值所对应的设计参数参与优化计算；

G.用强度和刚度约束条件对DOE计算结果进行筛选，找出满足强度和刚度约束条件的全部设计参数值，从中选择一组使目标值最小的设计参数的值作为优化计算的各个设计参数的初始值；

H.在isight中搭建优化计算流程，设置优化算法，把DOE计算所确定的设计参数及其取值作为优化设计变量及其初始值，设置设计参数的取值范围，设置约束变量的约束条件，设置目标变量的优化方向，进行优化计算；

I.对优化结果按照优劣顺序依次进行全工况验证，最先满足全部工况要求的解，就是优化计算的结果。

isight是一个仿真分析流程自动化和多学科多目标优化的工具，它提供了一个仿真流程搭建平台，同时提供与多种主流CAE分析工具的专用接口，它通过一种搭积木的方式快速耦合各种仿真软件，将设计流程、优化算法、近似模型组织到一个统一的框架中，自动调用仿真软件，完成“分析-优化-模型修正-再分析再优化”整个流程，使整个设计流程实现全数字化和全自动化。

DOE计算就是试验设计（Design of Experiments），其作用主要是辨识关键设计参数、确定最佳的设计参数组合、分析设计参数与设计目标之间的关系和趋势等等。

进行敏感度分析就是辨识对设计目标影响大的关键设计参数，取参与求和的敏感度值所对应的设计参数参与优化计算，这样处理即考虑了对目标影响较大的设计参数的影响，又缩小了计算规模，节省了计算时间。

在isight中搭建优化计算流程，即把过程组件task改成过程组件optimization。

作为一种优选方式，所述敏感度求和阈值的取值范围为90%~95%。

敏感度求和阈值的取值范围为90%~95%，因此，对车体重量贡献较少的设计参数不参与优化计算，节约了优化计算的时间。敏感度求和阈值具体取值可根据具体项目对减重要求的苛刻程度和所拥有的计算机资源的优劣情况。如果项目对减重的要求非常高，而且又拥有很好的计算机，阈值也可以取为100%，这时，全部设计变量都参与优化计算。

现有技术只使用ansys这类的有限元软件进行优化，，由于软件本身的限制，能计算的设计参数的数目少，能考虑的约束变量数目较少，不能同时考虑满足强度和固有频率两个方面的要求，能处理的目标变量只有一个。而本发明基于isight和ansys的优化计算，首先利用isight进行DOE计算和敏感度分析，利用强度和刚度约束条件对DOE计算结果进行过滤，从DOE计算结果中选择一组既满足强度和刚度约束条件又使车体质量最小的较好的初始值，根据敏感度分析的结果选择对车体重量影响较大的若干设计变量参与优化计算。同时，利用isight可以进行车体质量最小化和设计参数最小化的多优化目标设置和各个节点组件在各种工况下的应力不能超过相应材料许用应力的强度要求、车体边梁垂向变形量不能超过设计值、最低阶垂直弯曲固有频率不能低于设计值等多约束变量设置。因此，本发明能方便有效地对多个设计变量的车体在满足多个约束条件的情况进行优化，找到使车体重量最小的设计方案，能全方位考虑整车各个零部件板厚对优化计算的贡献，能同时兼顾满足车体强度、变形和低价垂向弯曲频率多个方面的要求，因而优化效果好，使车体各个组成部件处在很均衡的承载状态，能充分发挥车体各个部件的承载能力，使车体重量大幅度减轻。

附图说明

图1为进行模态计算并提取频率和质量计算结果所需要的文件。

图2为进行强度计算并提取应力计算结果所需要的文件。

图3为优化计算文件夹。

图4为优化计算文件夹内包含的内容。

图5为存放单元厚度参数化脚本文件的文件夹包含的内容。

图6为存放求解频率和质量并提取求解结果的脚本文件的文件夹包含的内容。

图7为存放求解应力并提取求解结果的脚本文件的文件夹包含的内容。

图8为task流程调试图。

图9为DOE计算流程图。

图10为优化计算流程图。

图11为灵敏度较大的设计参数对总质量的灵敏度值。

具体实施方式

本发明中英文符号含义说明如下：

APDL：全称是ANSYS Parametric Design Language，是ANSYS软件的参数化设计语言。

task：isight软件中的过程组件。

DOE：由过程组件task更名而来。DOE是试验设计，英文为Design of Experiments，目的是确定最佳的参数组合，分析输入参数与输出参数之间的关系和趋势。

data exchanger、os command、parameter、data exchanger、calculate stress：isight软件中的应用组件。

parameter：由应用组件data exchanger更名而来。

calculate stress：由应用组件os command更名而来。

get stress：由应用组件data exchanger更名而来。

calculate freq+mass：由应用组件os command更名而来。

get freq+mass：由应用组件data exchanger更名而来。

optimization：由过程组件DOE更名而来。

db、txt、bat、s01、s02、s03、s04、s05、s06、zmf：本发明中所涉及平台使用的相关文件后缀名。

本发明的一实施例包括步骤A.把组成车体有限元计算模型的壳单元按不同材料、不同厚度、不同部件进行分组，建立不同材料、不同厚度、不同部件的壳单元组件，将各个壳单元组件的单元厚度（单元厚度实际上就是板材的厚度）参数化（单元厚度参数化就是把厚度用变量表示，并且给定变量的取值范围，优化计算就是需要从给定的取值范围选定一个最优的取值）；写一个对各个壳单元组件的单元厚度进行参数化的第一APDL脚本文件；

B.对计算模型中的不同材料的焊缝和非焊缝节点（结构的有限元计算模型是把结构的几何模型离散成很多单元，把力和变形在几何结构中的传递看成是在各个单元之间的传递，各个单元是通过节点联接的，力与变形通过节点在单元与单元之间进行传递。焊接结构是根据设计把很多板材焊接在一起，板材与板材之间通过焊缝联接，建立有限元模型时位于焊缝的节点就是焊缝节点，位于焊缝之外的节点就是非焊缝节点）进行分组（对节点分组就是把有限元计算模型中的全部节点按节点所在的材料的类别、材料的厚度以及是位于焊缝区域内还是位于母材区域分成很多组，如4毫米厚的甲材料焊缝组、4毫米厚的甲材料非焊缝组、6毫米厚的甲材料焊缝组、6毫米厚的甲材料非焊缝组、4毫米厚的乙材料焊缝组、4毫米厚的乙材料非焊缝组、6毫米厚的乙材料焊缝组、6毫米厚的乙材料非焊缝组等。分组这个工作是利用有限元软件的选择功能对有限元模型进行操作完成的），并建立若干节点组件（节点组件的实际数量是根据有限元计算模型的实际情况决定的，一个总的原则就是要把所有节点都划归到一个特定组件。计算模型不同，则节点组件的数量一般来说是不同的）；写一个提取并写出各个节点组件的最大应力的第二APDL脚本文件；

C.写一个用于读入计算模型、读入设计参数和强度计算工况并进行强度计算、读入第二APDL脚本文件的第三APDL脚本文件；所述设计参数为步骤A中参数化后的各个壳单元组件的单元厚度；写一个提取并写出计算模型全部壳单元质量的第四APDL脚本文件；写一个提取并写出计算模型低阶垂向弯曲固有频率（低阶垂向弯曲固有频率是垂向弯曲振动频率最低的那个值）的第五APDL脚本文件；写一个用于读入计算模型、读入设计参数、读入第四APDL脚本文件、进行模态计算、读入第五APDL脚本文件的第六APDL脚本文件；

经过步骤A、B和C，如图1所示的进行模态计算并提取频率和质量计算结果所需要的文件和如图2所示的进行强度计算并提取应力计算结果所需要的文件都已经准备好。

按图3所示建立一个isight优化计算文件夹，其包含的内容如图4所示，其中存放单元厚度参数化脚本文件的文件夹只包含如图5所示的第一APDL脚本文件，存放求解频率和质量并提取求解结果的脚本文件的文件夹包含的内容如图6所示，存放求解应力并提取求解结果的脚本文件的文件夹包含的内容如图7所示。

接着进行步骤D.在isight软件中搭建task流程并调试直至正确；用优化软件isight搭建图8所示的task流程。建立task流程时，用应用组件data exchanger（更名为parameter）从图3所示的文件夹写入参数文件。用应用组件os command（更名为calculatestress）从图3所示的文件夹导入下列文件：调用有限元计算软件在后台执行集成的脚本文件的可执行文件、计算强度的工况文件、第三APDL脚本文件、第二APDL脚本文件、提取的应力计算结果文件，并把参数文件从parameter组件映射到calculate stress组件。用应用组件data exchanger（更名为get stress）把应力计算结果提取出来。接着，用应用组件oscommand（更名为calculate freq+mass）从图3所示的文件夹导入下列文件：调用有限元计算软件在后台执行集成的脚本文件的可执行文件、第六APDL脚本文件、第五APDL脚本文件、第四APDL脚本文件。用应用组件data exchanger（更名为get freq+mass）提取模态计算结果（就是车体的各阶固有频率值）、质量计算结果。运行task流程，如果能够按顺序执行从参数输入到提取模态计算结果和质量计算结果的全部过程，则说明所搭建的task流程是正确的。

搭建task流程并调试正确后，执行步骤E.把过程组件task改成过程组件DOE，得到图9所示的DOE计算流程。按设计参数的个数确定DOE计算的样本点数，设置各个设计参数的取值范围，选择DOE计算的算法，设置目标变量，进行DOE计算。

最后执行步骤F.对设计参数进行敏感度分析，按照敏感度从大到小依次叠加求和，设置敏感度求和阈值，所述敏感度求和阈值的取值范围为90%~95%。当求得的敏感度和值大于或等于敏感度求和阈值时，停止求和并取参与求和的敏感度值所对应的设计参数参与优化计算；图11为灵敏度较大的设计参数对总质量的灵敏度值，让图11中的设计参数参与优化计算。

G.用强度和刚度约束条件对DOE计算结果进行筛选，找出满足强度和刚度约束条件的全部设计参数值，从中选择一组使目标值最小的设计参数的值作为优化计算的各个设计参数的初始值；

H.DOE计算完成后，把DOE计算流程中的过程组件DOE改为过程组件optimization，得到图10所示的optimization计算流程。设置优化算法，把DOE计算所确定的设计参数及其取值作为优化设计变量及其初始值，设置设计参数的取值范围，设置约束变量的约束条件，设置目标变量的优化方向，进行优化计算。

I.对优化结果按照优劣顺序依次进行全工况验证，考察优化结果是否满足全部计算工况的要求，最先满足全部工况要求的解，就是优化计算的结果。

Claims (2)

1.一种机车车体轻量化优化方法，其特征在于，包括步骤

A.把组成车体有限元计算模型的壳单元按不同材料、不同厚度、不同部件进行分组，建立不同材料、不同厚度、不同部件的壳单元组件，将各个壳单元组件的单元厚度参数化；写一个对各个壳单元组件的单元厚度进行参数化的第一APDL脚本文件；

B.对计算模型中的不同材料的焊缝和非焊缝节点进行分组，并建立若干节点组件；写一个提取并写出各个节点组件的最大应力的第二APDL脚本文件；

C.写一个用于读入计算模型、读入设计参数和强度计算工况并进行强度计算、读入第二APDL脚本文件的第三APDL脚本文件；所述设计参数为步骤A中参数化后的各个壳单元组件的单元厚度；写一个提取并写出计算模型全部壳单元质量的第四APDL脚本文件；写一个提取并写出计算模型低阶垂向弯曲固有频率的第五APDL脚本文件；写一个用于读入计算模型、读入设计参数、读入第四APDL脚本文件、进行模态计算、读入第五APDL脚本文件的第六APDL脚本文件；其中低阶垂向弯曲固有频率是指最低垂向弯曲振动频率；

D.在isight软件中搭建task流程并调试直至正确；

E.把过程组件task改成过程组件DOE，得到DOE计算流程，按设计参数的个数确定DOE计算的样本点数，设置各个设计参数的取值范围，选择DOE计算的算法，设置目标变量，进行DOE计算；

F.对设计参数进行敏感度分析，按照敏感度从大到小依次叠加求和，设置敏感度求和阈值，当求得的敏感度和值大于或等于敏感度求和阈值时，停止求和并取参与求和的敏感度值所对应的设计参数参与优化计算；

G.用强度和刚度约束条件对DOE计算结果进行筛选，找出满足强度和刚度约束条件的全部设计参数值，从中选择一组使目标值最小的设计参数的值作为优化计算的各个设计参数的初始值；

H.在isight中搭建优化计算流程，设置优化算法，把DOE计算所确定的设计参数及其取值作为优化设计变量及其初始值，设置设计参数的取值范围，设置约束变量的约束条件，设置目标变量的优化方向，进行优化计算；

I.对优化结果按照优劣顺序依次进行全工况验证，最先满足全部工况要求的解，就是优化计算的结果。

2.如权利要求1所述的机车车体轻量化优化方法，其特征在于，所述敏感度求和阈值的取值范围为90%~95%。