CN107766683B - 一种厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，包括：步骤一、得到车厢在自由状态下的一阶模态频率和振型，确定车厢最大应力、最大变形量和自由状态下的一阶模态频率；步骤二、建立底部波纹横梁结构初始模型，重新定义的优化设计尺寸参数；步骤三、根据车厢最大应力和最大变形量，目标使车厢质量最小和车厢一阶模态频率最大，得到近似模型；步骤四、对近似模型的精度进行检验，如果精度满足要求则输出近似模型，如果不满足精度要求则重新取值得到近似模型，直到满足精度要求；步骤五、根据车厢最大应力和最大变形量，目标使车厢质量最小和车厢一阶模态频率最大，对近似模型进行优化求解，得到车厢底部波纹横梁结构的优化尺寸。

Description

一种厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法

技术领域

本发明涉及车厢结构领域，具体涉及一种厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法。

背景技术

底横梁是车厢重要的承载部件，车厢在货物的装卸过程中会受到装卸工具的碾压作用以及所装载货物的重力的作用，在使用运输过程中还会受到货物垂向动载荷以及加速、制动、转向惯性力的作用，车厢的结构强度和刚度是否满足使用要求，不仅关系到能否保证装卸工作的正常进行，而且还关系到运输途中所装货物完整性和安全性。现有的车厢C型底部横梁虽然结构简单、制造工艺好，但其承受弯曲和扭转载荷的能力差，结构重量和原材料消耗量大，导致车厢空箱自重大，不能很好实现节能减排。

现有的车厢底部结构优化设计主要围绕结构强度、刚度、固有频率或者减重等单一目标进行，通过改变几何结构和底横梁间距关系实现分析优化。但作为车厢的关键承载部件，仅仅满足单一优化目标的底横梁结构无法满足车厢运输和装卸过程中可靠和使用安全的要求。通过国内外相关文献的检索，未发现有类似的基于车厢底部波纹横梁的轻量化优化设计方法。

发明内容

本发明设计开发了一种厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，本发明的发明目的是提供波纹横梁结构的设计方法，并且解决能够在保持强度不变的情况下质量轻量化的问题。

本发明提供的技术方案为：

一种厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，包括如下步骤：

步骤一、计算采用车厢底部C型梁结构在典型工况下的结构强度和刚度，同时得到车厢在自由状态下的一阶模态频率和振型，确定车厢最大应力、最大变形量和自由状态下的一阶模态频率；

步骤二、根据车厢底部C型梁结构尺寸建立底部波纹横梁结构初始模型，在所述初始模型中通过尺寸参数车厢底部波纹横梁结构断面上翼板宽度、厚度，下翼板宽度、厚度，腹板高度、厚度、波长和波高作为定义的优化设计尺寸参数；其中，底部波纹横梁结构初始模型与车厢底部C型梁结构等横截面积和等质量；

步骤三、根据所述车厢最大应力和所述最大变形量，目标使车厢质量最小和车厢一阶模态频率最大，对所述优化设计尺寸参数进行不同取值得到所述车厢底部波纹横梁结构的近似模型；

步骤四、对所述近似模型的精度进行检验，如果精度满足要求则输出所述近似模型，如果不满足精度要求则对所述步骤三中优化设计尺寸参数进行重新取值得到所述近似模型，直到满足精度要求；

步骤五、根据所述车厢最大应力和所述最大变形量，目标使车厢质量最小和车厢一阶模态频率最大，对所述近似模型进行优化求解，得到所述车厢底部波纹横梁结构的优化尺寸。

优选的是，在所述步骤一中，根据原车厢在最高车速匀速行驶、加速、制动和转向的典型工况下承受的载荷计算结构强度和刚度。

优选的是，所述步骤三中，最大应力为550MPa，最大变形量为23mm。

优选的是，在所述步骤二中，所述底部波纹横梁结构采用同种材料替换原车厢底部横梁。

优选的是，在所述步骤五中，采用非支配排序遗传算法求解所述车厢底部波纹横梁结构的优化尺寸。

优选的是，在所述步骤五中，得到所述优化尺寸后对数据进行工程圆整处理后得到最终的优化尺寸。

优选的是，包括：

在所述步骤五之后对所述尺寸参数进行验证性实验，判断是否满足性能要求：如果满足性能要求，则最终确定为该结构尺寸；如果不能满足性能要求，则对所述步骤三中的所述尺寸参数重新确定取值范围进行重新取值计算，直到得到满足性能要求的结构尺寸。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明操作简单，流程合理，同时轻量化优化设计后的底部波纹横梁结构与现有的底横梁相比，在性能满足使用要求的情况下，减重比达到35.6％，最大限度提升材料利用率，适用于车厢轻量化的发展方向；

2、综合考虑了匀速、加速、制动和转向等工况的要求，并且同时考虑质量和一阶模态频率响应两个目标函数，既能减轻底部波纹横梁结构质量又能保证车厢一阶模态频率响应满足设计要求，因此考虑更为全面。

附图说明

图1为本发明厢式车车厢底部波纹横梁轻量化优化设计方法流程图。

图2为车厢三维实体模型图。

图3为车厢底部C型横梁实体模型图。

图4为车厢底部单个C型梁结构等轴侧视图。

图5为车厢底部单个C型梁结构主视图。

图6为S-Beam初始模型等轴侧视图。

图7为S-Beam初始模型结构主视图。

图8为质量响应近似模型的检验结果。

图9为一阶模态频率响应近似模型的检验结果。

图10为强度响应近似模型检验结果。

图11为刚度响应近似模型检验结果。

图12为S-Beam轻量化优化分析模型。

图13为Pareto前沿解集。

图14为S-Beam轻量化优化设计后模型等轴侧视图。

图15为S-Beam轻量化优化设计后结构主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种厢式车车厢底部波纹横梁结构(S-beam)轻量化优化设计方法，包括如下步骤：

步骤一、采用Hypermesh为前处理的软件平台，以Nastran为求解器，对已知性能满足要求的车厢进行有限元建模，得到包含有C型梁的车厢的有限元分析模型，按照厢式车典型行驶工况车厢承受的载荷，首先按照厢式车在最高车速匀速行驶、加速、制动和转向四个典型行驶工况车厢承受的载荷，进行结构强度、刚度、自由状态下一阶模态频率的分析与计算，得出最大应力、最大变形量、一阶模态频率等性能，并与已知车厢实际工况性能作比对验证。

如图2所示，在已知车厢几何尺寸的基础上，采取CATIA建立几何模型，将几何模型导入到有限元软件Hypermesh中，对车厢三维实体模型进行结构简化，忽略对车厢强度和变形影响不大的圆角、孔洞与小的零件，并对初始模型的细小的线和面等与性能影响关系不大的特征进行去除，在Hypermesh中设置好单位参数，如mm、S、t、MPa等，对采用壳单元划分的零部件进行中面抽取，对8个角件实行六面体网格划分，从而建立适用于有限元分析的模型。

对简化设置后的模型进行网格划分，对底部横梁等周围部件重点研究对象实行网格10mm的尺寸划分，针对其它结构零部件进行20mm尺寸的网格划分，如若有遗漏的未修补的线和面，对其进行Quick Geometry Edit(F11)进行修正。

如图3、4、5所示，以带有C型底部横梁的标准车厢为对象，建立车厢有限元模型，其模型包括835600个单元，830000个节点，其中包括了17000个六面体实体单元(角件)，807400个壳单元，刚性单元11200个；其中，壳单元中三角形单元有7100个(0.88％)，然后做网格质量检查，模型中雅可比、扭曲度、翘曲角的失效单元均小于0.1％，证明模型精度可靠。

直接在该可靠有限元模型中将车厢结构所用材料及属性进行参数输入，对模型中弹性模量、泊松比、密度以及厚度等参数进行设置，注意必须与初始实体模型的尺寸量纲保持一致，该车厢大部分材料为钢；作为一种优选，设置弹性模量为2.1×10⁵MPa，密度为7.85×10^-9t/mm³，泊松比为0.3。

对模型不同部件之间的连接采取共节点或者根据实际情况采取点焊和缝焊连接模拟，并确认相应节点自由度进行单点约束。对于重点研究的底部横梁和其周围零部件之间建立面面接触的方式，对于底部横梁与周围部件的连接选取RBE2(刚性连接单元)模拟。

以车厢有限元模型为研究对象，按照厢式车规定载荷工况进行约束条件设置和加载(如表1所示)，其中，P＝R-T，P为试验车厢的最大载荷量，R为最大总重，T为箱体自身质量；对匀速、加速、制动、转向等工况的边界条件按照表1设置，分别计算出相应的加载力，统计加载部位(底板或顶角件)的节点数，求出每个节点的加载力并以赋予数值，并按照结构强度和刚度的计算分析要求，对卡片参数PARAM设置，同时按照计算模态频率的要求而设置EIGRL，并得出除刚性模态之外的一阶模态频率，确定最后提取性能指标包括：最大应力、最大变形量、自由状态下一阶模态频率。

表1典型工况

将以上设置完备的模型导出.bdf文件，提交Nastran求解器进行计算，最后基于各个工况下提取出的车厢最大应力，最大变形量和自由状态下一阶模态频率等性能与已知满足性能且正在工程使用的车厢实际结构模型进行比对，若仿真数据与实际车厢结构数据相吻合，从而证明有限元模型的合理性，则可进行下一步流程，初始模型仿真结果如表2所示。反之，则需要对有限元模型重新检查修正。

表2初始模型仿真结果

步骤二、基于网格变形技术建立S-Beam参数化有限元模型，用同种材料且等截面面积的S-Beam结构替换原车厢C型底部横梁，并得出包含S-Beam结构的新型车厢整体有限元模型。

如图4、5所示，在已知的C型梁的基础上，采用已知的C型梁的截面面积，几何尺寸和周长，求解出初始S-Beam结构的几何尺寸，并重新定义新设计的S-Beam结构尺寸参数，基于CATIA(V5R21)平台建立S-Beam三维结构模型，如图6、7所示，用S-Beam替换原车厢的C型底部横梁，在置换过程中，遵循等截面面积原理、等质量原理和用材相同的原则，并镜像生成其它的17根S-Beam，然后对其中面抽取和有限元网格划分，采用网格变形技术构造S-Beam参数化有限元模型替换底部C型梁有限元模型，得到新的车厢参数化有限元模型作为下一步分析研究的对象；在本实施中，作为一种优选，对重新定义的S-Beam结构尺寸参数中的波纹腹板高度x₁、下翼板宽度x₂、上翼板宽度x₅、腹板波高x₇、腹板波长x₈等5个形状变量，下翼板厚度x₃、腹板厚度x₄、上翼板厚度x₆等3个尺寸变量，总计8个变量定义为优化参数设计变量。

步骤三、对带有S-Beam结构的车厢有限元模型进行试验设计采样，在此基础上采用响应面法建立车厢轻量化优化设计代理模型，同时检验代理模型是否达到要求的精度；然后对车厢S-Beam结构进行轻量化优化设计，得出车厢S-Beam结构的轻量化设计结果，得到优化后的尺寸，随之进行尺寸参数的工程圆整，确定车厢S-Beam结构的轻量化优化设计方案。

如图6所示，对设计变量“波纹腹板高度x₁、下翼板宽度x₂、下翼板厚度x₃、腹板厚度x₄、上翼板宽度x₅、上翼板厚度x₆、腹板波高x₇、腹板波长x₈”的尺寸参数定义设计空间；在本实施例中，作为一种优选，确定优化参数设计变量的变化范围有x₁∈(110,120)、x₂∈(45,55)、x₃∈(2,3)、x₄∈(1,2)、x₅∈(70,80)、x₆∈(2,3)、x₇∈(10,30)、x₈∈(300,550)；对形状变形量采用网格变形技术进行定义，具体可采用HyperMorph(HyperMesh14.0模块)中的domain、handle及morph模块对S-Beam结构定义设计变量的变化范围。

以最大应力不超过550MPa，最大变形量不超过23mm为约束条件，约束条件描述为s.t.σ≤550MPa；d≤23mm；以质量最小且一阶模态频率最大为优化目标，优化目标函数描述为：minM(x₁,x₂,...,x₈)；maxF(x₁,x₂,...,x₈)；式中，M为车厢S-Beam质量，F为车厢的一阶模态频率，σ为车厢S-Beam结构强度许用值，d为车厢S-Beam最大变形允许值。

采用最优拉丁超立方采样方法在设计空间内进行试验设计，获取波纹腹板高度、下翼板宽度、下翼板厚度、腹板厚度、上翼板宽度、上翼板厚度、腹板波高、腹板波长等8个设计变量总计20个样本点的试验设计矩阵。试验设计矩阵如表3所示。

表3最优拉丁超立方采样试验设计方案

样本点	x<sub>1</sub>(mm)	x<sub>2</sub>(mm)	x<sub>3</sub>(mm)	x<sub>4</sub>(mm)	x<sub>5</sub>(mm)	x<sub>6</sub>(mm)	x<sub>7</sub>(mm)	x<sub>8</sub>(mm)
									1	115.31	47.04	2.163	1.02	71.84	2.816	23.06	427.55
2	114.49	46.43	2.959	2.0	76.33	2.673	16.12	468.37
									3	118.57	48.67	2.245	1.163	78.57	2.469	27.55	529.59
4	115.71	48.88	2.347	1.776	71.63	2.959	10.0	432.65
									5	111.43	45.41	2.796	1.224	72.24	2.592	13.67	453.06
6	119.8	46.84	2.612	1.347	76.53	2.51	11.22	488.78
									7	120.0	51.33	2.265	1.49	70.61	2.347	28.37	396.94
8	112.24	48.27	2.367	1.939	80.0	2.714	20.2	330.61
									9	110.2	49.29	2.776	1.408	75.1	2.98	25.92	381.63
10	116.33	46.63	2.653	1.755	70.2	2.082	15.31	422.45
									11	118.98	49.9	2.531	1.898	75.92	2.429	12.45	300.0
12	113.27	47.65	2.327	1.0	77.55	2.041	16.53	447.96
									13	116.73	53.37	2.837	1.592	79.39	2.939	14.9	402.04
14	115.31	52.96	2.939	1.327	74.69	2.122	10.41	407.14
									15	116.94	46.22	2.816	1.143	73.88	2.143	28.78	417.35
16	110.0	47.24	2.02	1.571	74.08	2.449	13.27	386.73
									17	110.61	54.18	2.388	1.041	74.9	2.612	14.49	458.16
18	119.59	49.49	2.122	1.857	76.94	2.898	24.29	412.24
									19	112.86	47.86	2.286	1.429	78.37	3.0	16.94	519.39
20	114.69	54.8	2.184	1.367	75.31	2.0	24.69	498.98

依照表3所示的采样数据，将波纹梁结构的几何尺寸一一分别重新设计构造模型计算：采用HyperMorph(HyperMesh14.0模块)对涉及形状变化的变量的进行网格变形技术处理，对尺寸变化的变量直接重新定义尺寸参数，然后对每一组样本点均按照修改后的尺寸进行有限元计算分析，得到仿真数据，依照此20组结果数据基于响应面法构造质量和强度、刚度、一阶模态频率等性能响应的近似模型。

在设计空间内额外选取10个样本点对近似模型的精度进行检验，常用的误差分析评价指标有决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)，R²越是接近于1，RMSE取值越接近于0，说明近似模型的精确度越高，各个响应的近似模型的精度检验如图8、9、10、11所示，近似误差分析结果如表4所示。

表4近似误差分析结果

指标	质量(t)	最大应力(MPa)	最大变形量(mm)	一阶模态频率(HZ)
					R<sup>2</sup>	0.9884	0.9678	0.9519	0.9783
RMSE	0.0186	0.0112	0.0229	0.0736

对近似模型精度检验后，精度满足仿真分析要求，则可依据近似模型对车厢S-Beam结构进行轻量化优化设计，否则需要重新在设计空间内运用最优拉丁超立方方法重新采样构造近似模型。

然后以车厢S-Beam结构质量最小和车厢一阶模态频率最大作为优化目标函数，以典型工况下车厢S-Beam结构的最大应力、最大变形量作为约束条件，以参数化定义的S-Beam结构尺寸参数作为优化设计变量，采用NSGA-Ⅱ优化算法对满足要求的近似模型优化求解，基于Isight(5.8)优化平台将近似模型组件与优化组件集成在一起，建立基于响应面法近似模型的车厢S-Beam结构轻量化优化设计分析模型，如图12所示，在优化组件中设置种群规模为30，进化代数为50，交叉概率为0.9，经过优化迭代计算，得到车厢S-Beam轻量化优化设计的Pareto前沿解集，如图13所示；由于是针对车厢S-Beam的轻量化设计研究，在保证车厢一阶模态频率不降低的同时，尽量使得车厢S-Beam的质量最小，从而选择Pareto前沿中保证一阶模态频率不降低且使质量相对较小的解作为最优解(图中五角星显示为最优解)。

根据工程实际要求对设计变量的最优化结果进行圆整，得到优化后设计变量的具体数值如表5所示。

表5轻量化优化后的设计变量

设计变量	初始值	优化值(mm)	圆整值(mm)
				x<sub>1</sub>	120	110.451	110
x<sub>2</sub>	50	54.76	55
				x<sub>3</sub>	2.8	2.473	2.5
x<sub>4</sub>	2	1.622	1.6
				x<sub>5</sub>	78	75.037	75
x<sub>6</sub>	2.8	2.465	2.5
				x<sub>7</sub>	25	13.65	14
x<sub>8</sub>	350	522.31	522

步骤四、如图14、15所示，通过对以上轻量化优化数据工程圆整，将圆整值重新赋予仿真模型，通过在HyperMesh(14.0)中修改尺寸参数，然后基于匀速、加速、制动、转向等工况的设置，输出.bdf格式文件提交至Nastran(2010.1)求解器进行计算，分析计算优化后的车厢在典型工况下的性能，仿真结果验证优化设计方案的是否可行，优化设计结果如表6所示，结果显示，针对车厢S-Beam结构轻量化优化设计满足设计要求，若不满足的话，需要重新对参数化有限元模型进行修正，对有限元模型中的优化参数尺寸的取值范围重新确定并取值，直到得到满足条件的优化尺寸。经计算，轻量化前后减重达到90Kg，减重比为底横梁的35.6％，充分提升材料利用率。

表6优化设计仿真结果

步骤五、根据仿真分析可得满足性能要求的轻量化设计方案，按照参数组合试制轻量化优化后的S-Beam结构，并依照规定的匀速、加速、制动、转向等工况对轻量化车厢S-Beam结构进行试验验证，验证结果显示该轻量化设计方案有效。

在本实施例中，采用三维建模软件CATIAV5R21，仿真软件HyperMesh14.0，Patran2010&Nastran2010，Isight(5.8)，操作系统为Windows。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、计算采用车厢底部C型梁结构在典型工况下的结构强度和刚度，同时得到车厢在自由状态下的一阶模态频率和振型，确定车厢最大应力、最大变形量和自由状态下的一阶模态频率；

步骤二、根据车厢底部C型梁结构尺寸建立底部波纹横梁结构初始模型，在所述初始模型中通过尺寸参数车厢底部波纹横梁结构断面上翼板宽度、厚度，下翼板宽度、厚度，腹板高度、厚度、波长和波高作为定义的优化设计尺寸参数；其中，底部波纹横梁结构初始模型与车厢底部C型梁结构等横截面积和等质量；

步骤三、根据所述车厢最大应力和所述最大变形量，目标使车厢质量最小和车厢一阶模态频率最大，对所述优化设计尺寸参数进行不同取值得到所述车厢底部波纹横梁结构的近似模型；

步骤四、对所述近似模型的精度进行检验，如果精度满足要求则输出所述近似模型，如果不满足精度要求则对所述步骤三中优化设计尺寸参数进行重新取值得到所述近似模型，直到满足精度要求；

步骤五、根据所述车厢最大应力和所述最大变形量，目标使车厢质量最小和车厢一阶模态频率最大，对所述近似模型进行优化求解，得到所述车厢底部波纹横梁结构的优化尺寸。

2.如权利要求1所述的厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，其特征在于，在所述步骤一中，根据原车厢在最高车速匀速行驶、加速、制动和转向的典型工况下承受的载荷计算结构强度和刚度。

3.如权利要求1或2所述的厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，其特征在于，所述步骤三中，最大应力为550MPa，最大变形量为23mm。

4.如权利要求3所述的厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述底部波纹横梁结构采用同种材料替换原车厢底部横梁。

5.如权利要求4所述的厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，其特征在于，在所述步骤五中，采用非支配排序遗传算法求解所述车厢底部波纹横梁结构的优化尺寸。

6.如权利要求1、2、4或5中任一项所述的厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，其特征在于，在所述步骤五中，得到所述优化尺寸后对数据进行工程圆整处理后得到最终的优化尺寸。

7.如权利要求6所述的厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法，其特征在于，包括：

在所述步骤五之后对所述尺寸参数进行验证性实验，判断是否满足性能要求：如果满足性能要求，则最终确定为该结构尺寸；如果不能满足性能要求，则对所述步骤三中的所述尺寸参数重新确定取值范围进行重新取值计算，直到得到满足性能要求的结构尺寸。

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