CN109145416A - 一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，该方法包括下列步骤：1)将地铁司机室头罩设为中间采用泡沫芯材、内外表面采用碳纤维复合材料的泡沫夹芯结构，泡沫芯材采用实体单元建模，碳纤维复合材料采用壳单元建模，内外表面进行铺层设计；2)在司机室头罩四周边缘施加横向、纵向和垂向的平动约束；3)根据平动约束进行铺层形状优化、铺层形状调整、铺层厚度优化、铺层次序优化及整体覆盖。与现有技术相比，本发明具有实现轻量化效果、快速有效地获取最佳设计方案等优点。

Description

一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法

技术领域

本发明涉及轨道交通设备轻量化设计技术领域，尤其是涉及一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法。

背景技术

随着我国轨道交通行业的快速发展，以及节能降耗和环境友好等新型发展理念的提出，车辆结构的轻量化已成为现代车辆设计与制造关注的热点。碳纤维复合材料因具有质量轻、强度高、耐腐蚀，以及良好的可设计性、加工、改型等特点被广泛用于制造列车结构件，是目前实现车体轻量化的重要手段。

现有的地铁司机室头罩多采用玻璃钢或金属材质，采用碳纤维复合材料夹芯结构设计司机室头罩，在保证强度刚度要求下，可以有效地达到减重效果。在现有的碳纤维复合材料结构设计中，多采用等厚铺层结构，这样设计得到的结构未按需分布材料，造成材料强度的冗余，没能充分发挥碳纤维复合材料的轻量化潜能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速有效、实现理想轻量化的碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，该方法包括以下步骤：

S1：有限元建模，将地铁司机室头罩设为中间采用泡沫芯材、内外表面采用碳纤维复合材料的泡沫夹芯结构，并对内外表面进行铺层设计；泡沫芯材采用实体单元建模，内外复合材料表面采用壳单元建模。表面与芯材采用绑定接触。

S2：计算工况：施加方向垂直于司机室头罩由外指向内，另外与垂向1g加速度载荷复合。司机室头罩四周边缘施加横向、纵向和垂向的平动约束。

S3：根据平动约束，采用分步优化的策略进行设计，根据设计变量的特点，将设计变量分成几组，忽略变量之间关联，使之解耦，分阶段逐步确定每一组设计变量的值，并在优化过程根据制造约束及设计经验适当调整铺层设计，包括：

301)铺层形状优化：根据司机室头罩内外面板整体尺寸布局，考虑铺层方向，获取每个角度铺层的材料总体裁剪分布。设计变量为每个单元各方向铺层的厚度，目标函数为结构总柔度最小。有限元建模计算只有输入条件和输出获取结果，目标函数具有约束条件，无具体函数表达式。铺层形状优化的约束条件为：

约束条件：

式中，Z为约束的个数，N为所有单元单层的总数目，M为模型单元的数目，x_ik、g_j(x)和分别为k个单元第i个单层的厚度、第j个约束下的响应函数和响应极限值。

设置头罩结构在气动风压载荷下的强度和刚度约束，同时结合屈曲分析保证最小的屈曲因子满足结构稳定性要求，并通过控制单层的最大厚度以及单元总厚度来实现一定的工艺性约束。

302)铺层形状调整：上一步优化结果中铺层厚度变化连续，并不具有可制造性。实际结构中各铺层厚度应是制造条件中最小单层厚度的整数倍。同时为了避免零星的铺层区域和降低裁剪加工难度，需要调整各铺层块形状。即需要散置分布的铺层块，对间隙为1到3个网格尺寸的铺层块进行连接，以及光顺铺层块的边界。

303)铺层厚度优化：在铺层形状优化及优化结果调整的基础上铺层厚度优化，将铺层形状优化结果离散化，得到每个角度铺层的精确厚度分布。设计变量为每个铺层块的厚度，目标函数为司机室头罩质量最小。在铺层形状优化约束的基础上，增加单层厚度约束。所述目标函数的约束条件为：

约束条件：

0≤disp_a≤5

Buckling_1≥3

T_n＝0.15Q，n＝0°,90°,45°；Q＝1,2...

式中，T_Total为铺层形状优化后的厚度，disp_a为给定的节点a的位移，Buckling_1为第一阶屈曲因子，T_n为对应铺层角度的铺层厚度，n为铺层方向的度数，Q为正整数。

304)铺层次序优化：在厚度优化结果的基础上通过计算不同的铺层顺序组合，从而得到特定工况和约束下的最佳铺层方案：保证碳纤维复合材料夹层结构最大位移为5mm，即给定的节点a的位移最大为5mm，且第一阶屈曲因子最低限制为3。为了避免将同一方向铺层集中放置，应尽量使各方向单层沿层合板厚度均匀分布，此处约束相同角度铺层数不得大于两层，即最多两层相邻相同角度的铺层。

305)整体覆盖：由于在铺层形状优化中对各铺层的形状进行了裁剪，其中很多铺层并未全尺寸覆盖头罩内外面板，所以该铺层顺序方案是整体的布局，头罩局部区域实际铺层会有所不同。为了改善司机室头罩泡沫夹芯结构的整体成型性能，避免层合板厚度变化区域出现阶梯状厚度突变，夹芯层合结构的内外表面应有全尺寸的铺层以包裹头罩整体结构。同时为了提高头罩的抗冲击性能，在铺层顺序优化结果的最外层和最内侧增加±45°的全尺寸铺层。

与现有技术相比，本发明能够根据载荷工况以及约束条件合理布局碳纤维复合材料铺层，发挥复合材料的优异性能，结合制造约束和设计经验，快速有效地得到最佳设计方案；此外，经优化设计得到的碳纤维复合材料司机室头罩总质量相比优化前质量下降27％，比原玻璃纤维材质头罩质量下降37％，在满足强度、刚度和稳定性要求下，达到了较理想的轻量化效果。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为地铁司机室头罩模型图；

图3为本实施例铺层形状优化后的头罩前面板0°铺层厚分布图；

图4为本实施例铺层形状优化后的头罩前面板±45°铺层厚分布图；

图5为本实施例铺层形状优化后的头罩前面板90°铺层厚分布图；

图6为本实施例铺层形状优化后的头罩后面板0°铺层厚分布图；

图7为本实施例铺层形状优化后的头罩后面板±45°铺层厚分布图；

图8为本实施例铺层形状优化后的头罩后面板90°铺层厚分布图；

图9为本实施例铺层形状调整及铺层厚度优化后外面板总厚度分布图；

图10为本实施例铺层形状调整及铺层厚度优化后内面板总厚度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明涉及一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，该方法基于有限元的铺层优化设计，如图1所示，包括以下步骤：

一、有限元建模：

地铁司机室头罩如图2所示，整体为泡沫夹芯结构，中间为泡沫芯材，内外面为碳纤维复合材料。铺层设计主要在内外表面进行。泡沫芯材采用实体单元建模，内外复合材料表面采用壳单元建模。表面与芯材采用绑定接触。

二、计算工况：

司机室头罩在使用过程中主要承受的载荷为地铁运营过程中的气动风压载荷，施加3KPa均压于头罩外表面，方向垂直于司机室头罩由外指向内，另外与垂向1g加速度载荷复合。司机室头罩四周边缘施加横向、纵向和垂向的平动约束。

三、铺层形状优化：

根据司机室头罩内外面板整体尺寸布局，考虑到铺层方向，得到每个角度铺层的材料总体裁剪分布。铺层方向数应尽量少，一般多选择0°，90°和±45°四种铺层方向。设计变量为每个单元各方向铺层的厚度，目标函数为结构总柔度最小。设置头罩结构在气动风压载荷下的强度和刚度约束，同时结合屈曲分析保证最小的屈曲因子满足结构稳定性要求，并通过控制单层的最大厚度以及单元总厚度来实现一定的工艺性约束。

为使复合材料的基体沿各方向均匀受载，任一方向的铺层厚度最小控制在10％，最大比例控制在60％。另外为了避免结构中由于±45°铺层不对称造成的扭转应力，优化时应确保±45°铺层的形状和厚度相同。

四、铺层形状调整：

铺层形状优化后的前后面板各铺层厚度分布如图3至图8所示，但优化结果中铺层厚度变化连续，并不具有可制造性。实际结构中各铺层厚度应是制造条件中最小单层厚度的整数倍。同时为了避免零星的铺层区域和降低裁剪加工难度，需要调整各铺层块形状。删除零星的铺层块，连接过小的铺层块，并光顺铺层块边界。

五、铺层厚度优化：

在铺层形状优化及优化结果调整的基础上铺层厚度优化，将铺层形状优化结果离散化，得到每个角度铺层的精确厚度分布。设计变量为每个铺层块的厚度，目标函数为司机室头罩质量最小。在铺层形状优化约束的基础上，增加单层厚度0.15mm约束。

铺层形状调整及铺层厚度优化后内外面板总厚度分布如图9和图10所示。

六、铺层次序优化：

在厚度优化结果的基础上通过计算不同的铺层顺序组合，从而得到特定工况和约束下的最佳铺层方案。为了避免将同一方向铺层集中放置，应尽量使各方向单层沿层合板厚度均匀分布，此处约束相同角度铺层数不得大于两层，即最多两层相邻相同角度的铺层。

七、整体覆盖：

由于在铺层形状优化中对各铺层的形状进行了裁剪，其中很多铺层并未全尺寸覆盖头罩内外面板，所以该铺层顺序方案是整体的布局，头罩局部区域实际铺层会有所不同。为了改善司机室头罩泡沫夹芯结构的整体成型性能，避免层合板厚度变化区域出现阶梯状厚度突变，夹芯层合结构的内外表面应有全尺寸的铺层以包裹头罩整体结构。同时为了提高头罩的抗冲击性能，在铺层顺序优化结果的最外层和最内侧增加±45°的全尺寸铺层。

通过优化设计以及根据复合材料铺层工程经验修改得到的最终司机室头罩铺层结构总质量为137.5kg，优化前的全尺寸等厚结构质量为188.4kg，优化后质量下降27％。司机室头罩原玻璃纤维材质结构质量为218.4kg，采用优化后的复合材料泡沫夹芯结构质量相对下降37％。优化后结构应力有所提高，均在安全使用范围之内，这是正是根据载荷工况优化复合材料铺层结构，合理布局材料，发挥材料潜在性能，从而避免造成结构强度富余的结果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)将地铁司机室头罩设为中间采用泡沫芯材、内外表面采用碳纤维复合材料的泡沫夹芯结构，并对内外表面进行铺层设计；

2)在司机室头罩四周边缘施加横向、纵向和垂向的平动约束；

3)根据平动约束适当优化铺层设计。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，其特征在于，所述的泡沫芯材采用实体单元建模，所述的碳纤维复合材料采用壳单元建模。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，其特征在于，所述的优化铺层设计包括铺层形状优化、铺层形状调整、铺层厚度优化、铺层次序优化及整体覆盖。

4.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，其特征在于，所述的铺层形状优化具体包括以下步骤：

1)根据司机室头罩内外表面的尺寸布局，考虑铺层方向，获取每个角度铺层的材料总体裁剪分布；

2)将每个单元各方向铺层的厚度作为设计变量，将结构总柔度最小作为目标函数，该目标函数的约束条件为：

式中，Z为约束的个数，N为所有单元单层的总数目，M为模型单元的数目，x_ik、g_j(x)和分别为k个单元第i个单层的厚度、第j个约束下的响应函数和响应极限值；

3)设置头罩结构在气动风压载荷下的强度和刚度约束，同时结合屈曲分析保证最小的屈曲因子满足结构稳定性要求，并通过控制单层的最大厚度以及单元总厚度实现一定的工艺性约束。

5.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，其特征在于，所述的铺层形状调整包括删除散置分布的铺层块，对间隙为一到三个网格尺寸的铺层块进行连接，以及光顺铺层块的边界。

6.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，其特征在于，所述的铺层厚度优化的具体内容为：

1)将铺层形状优化结果离散化，获取每个角度铺层的精确厚度分布；

2)将每个铺层块的厚度作为设计变量，将司机室头罩质量最小作为目标函数，在铺层形状优化约束的基础上，增加单层厚度约束，所述的目标函数的约束条件为：

0≤disp_a≤5

Buckling_1≥3

T_n＝0.15Q，n＝0°,90°,45°；Q＝1,2...

式中，T_Total为铺层形状优化后的厚度，disp_a为给定的节点a的位移，Buckling_1为第一阶屈曲因子，T_n为对应铺层角度的铺层厚度，n为铺层方向的度数，Q为正整数。

7.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，其特征在于，所述的铺层次序优化具体包括以下步骤：

1)计算不同的铺层次序组合，获取特定工况和约束下的最佳铺层方案，即保证给定的节点a的位移最大为5mm，第一阶屈曲因子最低限制为3；

2)均匀分布各方向单层沿层合板厚度。

8.根据权利要求7所述的一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，其特征在于，所述的整体覆盖的具体内容为：

将夹芯结构的内外表面设为全尺寸的铺层，并在铺层次序优化结果的最外层和最内侧增加±45°的全尺寸铺层。

9.根据权利要求7所述的一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法，其特征在于，所述的最佳铺层方案的约束条件为相同角度铺层数不超过两层。