CN111985052A - 一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构，优化方法包括：根据原有外风挡结构断面几何外形尺寸定义外风挡结构设计空间；对设计区域进行拓扑优化设计，得拓扑优化设计结果；将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，得拓扑优化的外风挡结构断面；将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面比较验证，若外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成优化；若不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。该优化方法及外风挡结构在不增加原结构质量的情况下，提高了外风挡结构的横向刚度，使安装后的外风挡结构减阻效果更好、横向抗变形能力提高，且满足外风挡结构轻量化设计需求。

Description

一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构
技术领域
本发明涉及高速列车外风挡结构设计技术领域，具体而言，涉及一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构。
背景技术
高速列车是指最高运行时速不低于250千米的旅客列车，外风挡结构作为高速列车重要组成部件，安装于两车厢端部连接处，使得车体表面光顺平滑，为高速列车减阻降噪发挥了重要的作用。并且，橡胶外风挡具有较好的柔性变形能力，当列车通过曲线时，外风挡通过挤压变形为列车通过曲线时提供两车车厢之间位移量，列车直线行驶时外风挡回弹继续发挥减阻降噪的作用。
随着列车运行速度的提高，外风挡受列车空气动力作用更为剧烈。在列车高速运行时，气动载荷作用下橡胶外风挡结构产生横向变形，而当气动载荷的激励频率接近结构固有频率时容易引起共振现象，加剧结构的振动。在已有研究中，动车组橡胶外风挡结构在使用的过程中存在气动响应问题，当列车运行速度到达200km/h以上时，橡胶外风挡出现沿垂直车体表面方向的外翻，严重时的外翻程度与车体表面呈现45°的夹角，由于橡胶结构外风挡不断的外翻屈挠，甚至出现断裂现象。并且，外风挡安装在靠近车体外表面的车端位置，外风挡的变形振动反过来又影响列车车端周围流场运动，从而改变气动载荷的分布和大小，将导致车厢端部连接处的气动力分布不均匀，严重影响列车行车稳定性。同时，外风挡的变形振动对于结构的疲劳寿命同样产生危害。
在现有的技术中，虽采取了一些技术手段或提出了部分改进方案来增强外风挡的横向刚度，使得外风挡在气动载荷作用下产生的变形量减小。但这些改进措施对外风挡抗横向变形能力的提高效果不明显，并且在对外风挡进行补强的过程中均增加的原有结构的重量，且结构装配复杂。原外风挡装配时，相对的车端外风挡顶部橡胶圆弧之间存在凹陷，该凹陷的存在导致空气流过此处产生旋涡，对于外风挡气动减阻和降噪的效果减弱。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构，该优化方法及外风挡结构在不增加原结构质量的情况下，提高外风挡结构的横向刚度，使安装后的外风挡结构减阻效果更好且横向抗变形能力提高，提高外风挡的使用可靠性，并且满足高速列车外风挡结构轻量化设计方向。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高速列车外风挡结构的优化方法，包括以下步骤：
根据原有外风挡结构断面的几何外形尺寸，定义外风挡结构的设计空间，设计空间包括非设计区域和设计区域，非设计区域为从原有外风挡结构的断面外轮廓向内一定厚度的区域，设计区域为原有外风挡结构的断面非设计区域以内的区域；
对设计区域进行拓扑优化设计，得到拓扑优化设计结果；拓扑优化设计的目标包括提高原有外风挡结构的横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；
将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，得到拓扑优化的外风挡结构断面；
将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，若拓扑优化的外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成外风挡结构的优化；若拓扑优化的外风挡结构断面不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。
进一步地，原有外风挡结构断面包括原有外风挡侧壁和原有外风挡圆弧段，原有外风挡圆弧段的厚度小于原有外风挡侧壁的厚度，非设计区域的厚度与原有外风挡圆弧段的厚度接近。
进一步地，对所述设计区域进行拓扑优化设计，具体包括以下步骤：
在原有外风挡结构应用时的约束边界条件下，在设计区域内寻找使得外风挡结构横向刚度最大化时的材料分布方案，建立设计模型和分析模型；
在设计模型和分析模型中选定优化设计区域；
对优化设计区域进行几何建模并划分网格，建立优化设计模型；
定义优化设计模型的优化设置，优化设置包括壳单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件的有限元模型；
采用变密度法对优化设计模型进行优化求解，得到拓扑优化设计结果；在对优化设计模型断面进行拓扑优化设计时包括定义拓扑优化的设计变量、创建体积分数响应、创建位移响应、约束位移响应和定义目标函数。
进一步地，设计模型为根据原有外风挡结构断面，保留外风挡外轮廓，将外风挡结构断面外轮廓以内面积分为设计区域和非设计区域得到的设计模型；分析模型包括拓扑优化变密度法优化算法模型以及设计目标函数，设计目标函数的设计目标包括：在相同的气动载荷作用下优化后外风挡结构断面的横向变形量小于原有外风挡结构断面的变形量、优化后外风挡结构断面的一阶固有频率大于原有外风挡结构断面。
进一步地，将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，具体是指：
将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面的横向刚度、一阶弯曲固有频率、外风挡质量以及外风挡结构断面的几何外轮廓进行比较；验证拓扑优化的外风挡结构断面的横向刚度是否大于原有外风挡结构断面，验证拓扑优化的外风挡结构断面的一阶弯曲固有频率是否大于原有外风挡结构断面，验证拓扑优化的外风挡结构断面的质量是否小于原有外风挡结构断面，并验证拓扑优化的外风挡结构断面的几何外轮廓是否与原有外风挡结构断面一致。
根据本发明的另一方面，提供了一种高速列车外风挡结构，包括第一外风挡壁、第二外风挡壁和外风挡圆弧段，外风挡圆弧段的两端分别与第一外风挡壁和第二外风挡壁相连接形成U型外风挡轮廓，第一外风挡壁与外风挡圆弧段连接处内壁设有第一小加强筋，第二外风挡壁与外风挡圆弧段连接处内壁设有第二小加强筋，第一外风挡壁的根部内壁设有第一大加强筋，第二外风挡壁的根部内壁设有第二大加强筋，第一小加强筋、第二小加强筋、第一大加强筋和第二大加强筋的另一端相连接形成星型内部加强结构，第一小加强筋和第二小加强筋的厚度小于第一大加强筋和第二大加强筋的厚度。
进一步地，第一小加强筋、第二小加强筋、第一大加强筋和第二大加强筋的交点位于第一小加强筋与第一外风挡壁连接点的下方，且位于第一大加强筋与第一外风挡壁连接点的上方。
进一步地，第一小加强筋和第二小加强筋相对于外风挡结构断面的竖向轴线对称设置，第一大加强筋和第二大加强筋相对于外风挡结构断面的竖向轴线对称设置，第一小加强筋、第二小加强筋、第一大加强筋和第二大加强筋的交点位于外风挡结构断面的竖向轴线上。
进一步地，第一外风挡壁、第二外风挡壁和外风挡圆弧段的厚度一致，第一外风挡壁、第二外风挡壁、外风挡圆弧段、第一小加强筋、第二小加强筋、第一大加强筋和第二大加强筋一体成型设置。
进一步地，第一外风挡壁和第二外风挡壁的根部均通过一紧固螺栓和一紧固件内侧夹板与一L型紧固件相连接，L型紧固件与第一外风挡壁、第二外风挡壁连接的一端外侧设有倒角。
应用本发明的技术方案，首先根据原有外风挡结构断面的几何外形尺寸定义外风挡结构的设计空间；然后对设计区域进行拓扑优化设计，其优化设计目标为提高原有外风挡结构横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；再将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改；并将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，拓扑优化的外风挡结构断面满足轻量化设计要求后输出；该优化方法得到的外风挡结构，在不增加原外风挡结构质量的情况下，提高了外风挡结构的横向刚度，使安装后的外风挡结构减阻效果更好且横向抗变形能力得到提高，提高了外风挡结构的使用可靠性，并且满足高速列车外风挡结构轻量化的设计需求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的外风挡结构优化方法的流程图。
图2为现有技术的高速列车及外风挡结构侧视图。
图3为现有技术的高速列车外风挡结构的主视图。
图4为图3中A-A面的剖视放大图。
图5为本发明实施例的外风挡结构几何断面设计图。
图6为本发明实施例的外风挡结构几何断面重构设计图。
图7为本发明实施例的外风挡结构的断面图。
图8为与本发明实施例的外风挡结构相适配的车体端墙外风挡安装座示意图。
图9为本发明实施例的外风挡结构预压安装后的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、第一外风挡壁；2、第二外风挡壁；3、外风挡圆弧段；4、第一小加强筋；5、第二小加强筋；6、第一大加强筋；7、第二大加强筋；8、紧固螺栓；9、紧固件内侧夹板；10、L型紧固件；11、倒角；100、外风挡结构；200、车厢；201、外风挡右侧部件螺栓安装座；202、外风挡上侧部件螺栓安装座；203、外风挡左侧部件螺栓安装座；204、外风挡下侧部件螺栓安装座。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而仅仅是为了便于对相应零部件进行区别。同样，“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于直接的连接，而是可以通过其他中间连接件间接的连接。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
实施例1：
参见图1，一种本发明实施例的高速列车外风挡结构的优化方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据原有外风挡结构(即现有外风挡结构，参见图2至图4)断面的几何外形尺寸，定义外风挡结构的设计空间，设计空间包括非设计区域和设计区域，非设计区域为从原有外风挡结构的断面外轮廓向内一定厚度的区域，设计区域为原有外风挡结构的断面非设计区域以内的区域；
步骤S2：对设计区域进行拓扑优化设计，得到拓扑优化设计结果；拓扑优化设计的目标包括提高原有外风挡结构的横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；
步骤S3：将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改(参见图6)，得到拓扑优化的外风挡结构断面；
步骤S4：将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，若拓扑优化的外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成外风挡结构的优化；若拓扑优化的外风挡结构断面不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。
在本实施例中，原有外风挡结构断面包括原有外风挡侧壁和原有外风挡圆弧段，原有外风挡圆弧段的厚度小于原有外风挡侧壁的厚度，非设计区域的厚度与原有外风挡圆弧段的厚度接近。
具体地，在本实施例中，对设计区域进行拓扑优化设计，具体包括以下步骤：
步骤S201：在原有外风挡结构应用时的约束边界条件下，在设计区域内寻找使得外风挡结构横向刚度最大化时的材料分布方案，建立设计模型和分析模型；
步骤S202：在设计模型和分析模型中选定优化设计区域(参见图5)；
步骤S203：对优化设计区域进行几何建模并划分网格，建立优化设计模型；
步骤S204：定义优化设计模型的优化设置，优化设置包括壳单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件的有限元模型；
步骤S205：采用变密度法对优化设计模型进行优化求解，得到拓扑优化设计结果；在对优化设计模型断面进行拓扑优化设计时包括定义拓扑优化的设计变量、创建体积分数响应、创建位移响应、约束位移响应和定义目标函数。
具体来说，设计模型为根据原有外风挡结构断面，保留外风挡外轮廓，将外风挡结构断面外轮廓以内面积分为设计区域和非设计区域得到的设计模型；分析模型包括拓扑优化变密度法优化算法模型以及设计目标函数，其中，设计目标函数的设计目标包括：在相同的气动载荷作用下优化后外风挡结构断面的横向变形量小于原有外风挡结构断面的变形量、优化后外风挡结构断面的一阶固有频率大于原有外风挡结构断面。
进一步地，在原有外风挡结构应用时的约束边界条件下，在设计区域内寻找使得外风挡结构横向刚度最大化时的材料分布方案，具体包括：对拓扑优化模型给定与原外风挡相同的边界条件和载荷前提下，在指定的设计区域内，使得填充的材料发挥最大利用率(即寻找最优的材料分布以满足设计目标)。
其中，设计变量为设计区域单元材料的相对体积密度；变量约束为体积约束(即非设计区域断面材料分布面积与设计区域断面材料分布面积之和小于原外风挡断面面积；拓扑优化采用壳单元，即赋予了断面面积厚度，因此变量约束变为体积约束)；
其中，目标函数一为一阶固有频率增大，目标函数二为横向刚度增大。
拓扑优化中的数学模型如下：
设计变量：ρe,e＝1,...,NE，其中，ρe为设计区域单元材料的相对体积密度；NE为单元总数；
变量约束：
Figure BDA0002638450390000061
为材料体积约束；参数α为预先给定的材料体积上限V*相对于设计区域体积V0的体积比；
目标函数一：用一个max-min模型对设计域进行结构基础特征频率最大化设计，有限元离散后的拓扑优化模型的数学表达为：
Figure BDA0002638450390000062
Figure BDA0002638450390000063
Figure BDA0002638450390000064
Figure BDA0002638450390000065
0＜ρ≤ρe≤1,e＝1,...,NE (5)
式(1)表示结构的基础特征频率最大化，式(2)-(5)为约束条件，式中：特征值
Figure BDA0002638450390000066
为结构第j阶特征频率的平方，满足式(2)结构振动的广义特征值方程(且0＜ω1≤ω2≤...≤ωJ)。
Figure BDA0002638450390000067
为第j阶特征模态，且满足式(3)中结构质量矩阵M的正交归一化条件。
目标函数二：拓扑优化结构的刚度最大化，即结构的柔度最小化，用一个min模型对设计区域的结构柔度最小化设计。
Figure BDA0002638450390000071
Cd＝|PTU| (7)
Figure BDA0002638450390000072
Figure BDA0002638450390000073
0＜ρ≤ρe≤1,e＝1,...,NE (10)
式(6)表示结构动态柔度最小化，式(7)-(10)为约束条件，式(8)为结构稳态响应方程。其中：
Figure BDA0002638450390000074
为动态刚度矩阵；ωp为给定的简谐变化的外载荷的原频率；P为有限元离散后的外载荷幅值向量；U为结构稳态位移响应幅值向量。
进一步地，将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，具体是指：将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面的横向刚度、一阶弯曲固有频率、外风挡质量以及外风挡结构断面的几何外轮廓进行比较；验证拓扑优化的外风挡结构断面的横向刚度是否大于原有外风挡结构断面、验证拓扑优化的外风挡结构断面的一阶弯曲固有频率是否大于原有外风挡结构断面、验证拓扑优化的外风挡结构断面的质量是否小于原有外风挡结构断面、并验证拓扑优化的外风挡结构断面的几何外轮廓是否与原有外风挡结构断面一致。
具体地，步骤S3中，将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，是指对拓扑优化后的结果中所保留的材料轮廓进行几何建模，并对材料分布的几何边界进行略微的修改，使得结构工艺美观，又不影响结构的设计目标。
上述的高速列车外风挡结构的优化方法，首先根据原有外风挡结构断面的几何外形尺寸定义外风挡结构的设计空间；然后对设计区域进行拓扑优化设计，其拓扑优化设计的目标包括提高原有外风挡结构的横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；再将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改；并将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，拓扑优化的外风挡结构断面满足轻量化设计要求后输出；该优化方法在不增加原外风挡结构质量的情况下，提高了外风挡结构的横向刚度，使安装后的外风挡结构减阻效果更好且横向抗变形能力得到提高，提高了外风挡结构的使用可靠性，并且满足高速列车外风挡结构轻量化的设计方向。
通过该优化方法得到的外风挡结构断面如图7所示。通过该优化方法得到的高速列车外风挡结构，既保证了在相同的气动载荷作用下优化后的外风挡结构断面的横向变形量小于原有外风挡结构断面的横向变形量；保证了优化后的外风挡结构断面的一阶固有频率大于原有外风挡结构断面；又保证了优化后的外风挡结构断面的面积小于原有外风挡结构断面的面积；还保证了原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变，保证了优化后的外风挡结构的气动减阻效果不受影响。
实施例2：
参见图7、图8和图9，一种本发明实施例的高速列车外风挡结构，该高速列车外风挡结构100采用本发明上述实施例1的优化方法设计得到。该外风挡结构100主要包括第一外风挡壁1、第二外风挡壁2和外风挡圆弧段3。其中，外风挡圆弧段3的两端分别与第一外风挡壁1和第二外风挡壁2相连接，形成U型的外风挡轮廓；在第一外风挡壁1与外风挡圆弧段3的连接处内壁设置有第一小加强筋4；在第二外风挡壁2与外风挡圆弧段3的连接处内壁设置有第二小加强筋5；在第一外风挡壁1的根部内壁设置有第一大加强筋6；在第二外风挡壁2的根部内壁设置有第二大加强筋7；该第一小加强筋4、第二小加强筋5、第一大加强筋6和第二大加强筋7的另一端相连接形成星型的外风挡内部加强结构；并且，第一小加强筋4和第二小加强筋5的厚度小于第一大加强筋6和第二大加强筋7的厚度。
上述的高速列车外风挡结构100，通过在第一外风挡壁1与外风挡圆弧段3的连接处内壁设置第一小加强筋4；在第二外风挡壁2与外风挡圆弧段3的连接处内壁设置第二小加强筋5；在第一外风挡壁1的根部内壁设置第一大加强筋6；在第二外风挡壁2的根部内壁设置第二大加强筋7；第一小加强筋4、第二小加强筋5、第一大加强筋6和第二大加强筋7的另一端相连接形成星型的外风挡内部加强结构；并且第一小加强筋4和第二小加强筋5的厚度小于第一大加强筋6和第二大加强筋7的厚度；通过在外风挡结构100内设置由第一小加强筋4、第二小加强筋5、第一大加强筋6和第二大加强筋7组成的星型的外风挡内部加强结构，当列车需要较大的纵向压缩量时，外风挡靠车体表面外侧的第一外风挡壁1和靠近贯通道侧的第二外风挡壁2以及星型的外风挡内部加强结构均可发生变形，增加了外风挡结构的纵向可压缩性，提高了列车通过曲线的能力；当列车恢复到直线行驶时，第一外风挡壁1、第二外风挡壁2和星型的外风挡内部加强结构进行回弹，恢复原装配状态，继续发挥减阻降噪的功用。该外风挡结构100提高了外风挡结构100的横向刚度，使安装后的外风挡结构100减阻效果更好且横向抗变形能力得到提高，提高了外风挡的使用可靠性。
具体地，参见图7，在本实施例中，第一小加强筋4、第二小加强筋5、第一大加强筋6和第二大加强筋7的交点位于第一小加强筋4与第一外风挡壁1连接点的下方，且位于第一大加强筋6与第一外风挡壁1连接点的上方。第一小加强筋4、第一外风挡壁1和第一大加强筋6共同围成一个近似为三角形的区域，第二小加强筋5、第二外风挡壁2和第二大加强筋7共同围成一个近似为三角形的区域。这样设置，更加有利于提高外风挡结构100的横向刚度，提高外风挡结构100安装后的横向抗变形能力。
进一步地，参见图7，在本实施例中，第一小加强筋4和第二小加强筋5相对于外风挡结构100断面的竖向轴线对称设置(参见图7中虚线A)，第一大加强筋6和第二大加强筋7相对于外风挡结构100断面的竖向轴线对称设置，并且第一小加强筋4、第二小加强筋5、第一大加强筋6和第二大加强筋7的交点位于外风挡结构100断面的竖向轴线上。
参见图7，在本实施例中，第一外风挡壁1、第二外风挡壁2和外风挡圆弧段3的厚度一致，第一外风挡壁1、第二外风挡壁2、外风挡圆弧段3、第一小加强筋4、第二小加强筋5、第一大加强筋6和第二大加强筋7采用一体成型设置。参见图4和图5，现有的外风挡结构的外风挡壁的厚度大于外风挡圆弧段的厚度，通过本发明的优化方法对现有的外风挡结构进行优化，在不增加现有外风挡结构所用材料量的情况下，将第一外风挡壁1、第二外风挡壁2和外风挡圆弧段3的厚度设置为相一致，在外风挡结构外轮廓内设置星型的内部加强结构，并将第一外风挡壁1、第二外风挡壁2、外风挡圆弧段3、第一小加强筋4、第二小加强筋5、第一大加强筋6和第二大加强筋7采用一体成型，得到本实施例的外风挡结构100。该外风挡结构100在不增加原结构质量的情况下，提高了外风挡结构100的横向刚度，使安装后的外风挡结构100减阻效果更好且横向抗变形能力得到提高，并且满足高速列车外风挡结构100轻量化的设计要求。
具体来说，参见图7，在本实施例中，第一外风挡壁1和第二外风挡壁2的根部均通过一根紧固螺栓8和一块紧固件内侧夹板9与一个L型紧固件10相连接，该L型紧固件10上设置有螺栓孔，通过螺栓将该外风挡结构整体安装在列车的车厢200端部。在L型紧固件10与第一外风挡壁1、第二外风挡壁2连接的一端外侧还设置有倒角11，能够减小L型紧固件10对于流场的影响作用，起到导流作用。
图8为与外风挡结构相适配的车厢200端墙外风挡安装座，螺栓分布在外风挡安装座上，外风挡安装座通过焊接固定在车厢200端墙上，车厢200端墙上的外风挡安装座为四个部分，分别为外风挡右侧部件螺栓安装座201、外风挡上侧部件螺栓安装座202、外风挡左侧部件螺栓安装座203和外风挡下侧部件螺栓安装座204。
该外风挡结构安装时，先对外风挡圆弧段3的顶部进行预压，消除两个对立圆弧处的凹陷，如图9所示；在对外风挡结构进行安装紧固时，先安装右侧外风挡结构、上侧外风挡结构和左侧外风挡结构，对靠近车厢200外表面的外风挡安装座先进行紧固，后紧固内侧外风挡安装座；最后安装下侧外风挡结构。
对原有外风挡结构断面和本发明优化后的外风挡结构断面，在相同的给定约束和载荷条件下，分别测试其横向变形及一阶固有频率，其测试结果如下表所示：
Figure BDA0002638450390000101
由以上测试结果可知，通过优化后的外风挡结构在相同的给定约束和载荷条件下，其横向变形量比原有外风挡结构明显减小，说明优化后的外风挡结构的横向刚度大于原有外风挡结构；由测试结果可知，优化后的外风挡结构的一阶固有频率也明显大于原有外风挡结构。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据原有外风挡结构断面的几何外形尺寸，定义外风挡结构的设计空间，所述设计空间包括非设计区域和设计区域，所述非设计区域为从所述原有外风挡结构的断面外轮廓向内一定厚度的区域，所述设计区域为所述原有外风挡结构的断面非设计区域以内的区域；
对所述设计区域进行拓扑优化设计，得到拓扑优化设计结果；拓扑优化设计的目标包括提高原有外风挡结构的横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；
将所述拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，得到拓扑优化的外风挡结构断面；
将所述拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，若所述拓扑优化的外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成所述外风挡结构的优化；若所述拓扑优化的外风挡结构断面不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。
2.根据权利要求1所述的高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，所述原有外风挡结构断面包括原有外风挡侧壁和原有外风挡圆弧段，所述原有外风挡圆弧段的厚度小于所述原有外风挡侧壁的厚度，所述非设计区域的厚度与所述原有外风挡圆弧段的厚度接近。
3.根据权利要求1所述的高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，对所述设计区域进行拓扑优化设计，具体包括以下步骤：
在原有外风挡结构应用时的约束边界条件下，在设计区域内寻找使得外风挡结构横向刚度最大化时的材料分布方案，建立设计模型和分析模型；
在所述设计模型和分析模型中选定优化设计区域；
对所述优化设计区域进行几何建模并划分网格，建立优化设计模型；
定义所述优化设计模型的优化设置，所述优化设置包括壳单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件的有限元模型；
采用变密度法对所述优化设计模型进行优化求解，得到拓扑优化设计结果。
4.根据权利要求3所述的高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，
所述设计模型为根据原有外风挡结构断面，保留外风挡外轮廓，将外风挡结构断面外轮廓以内面积分为设计区域和非设计区域得到的设计模型；
所述分析模型包括拓扑优化变密度法优化算法模型以及设计目标函数，所述设计目标函数的设计目标包括：在相同的气动载荷作用下优化后外风挡结构断面的横向变形量小于原有外风挡结构断面的变形量、优化后外风挡结构断面的一阶固有频率大于原有外风挡结构断面。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，将所述拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，具体是指：
将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面的横向刚度、一阶弯曲固有频率、外风挡质量以及外风挡结构断面的几何外轮廓进行比较；验证拓扑优化的外风挡结构断面的横向刚度是否大于原有外风挡结构断面，验证拓扑优化的外风挡结构断面的一阶弯曲固有频率是否大于原有外风挡结构断面，验证拓扑优化的外风挡结构断面的质量是否小于原有外风挡结构断面，并验证拓扑优化的外风挡结构断面的几何外轮廓是否与原有外风挡结构断面一致。
6.一种高速列车外风挡结构，其特征在于，包括第一外风挡壁(1)、第二外风挡壁(2)和外风挡圆弧段(3)，所述外风挡圆弧段(3)的两端分别与所述第一外风挡壁(1)和所述第二外风挡壁(2)相连接形成U型外风挡轮廓，所述第一外风挡壁(1)与所述外风挡圆弧段(3)连接处内壁设有第一小加强筋(4)，所述第二外风挡壁(2)与所述外风挡圆弧段(3)连接处内壁设有第二小加强筋(5)，所述第一外风挡壁(1)的根部内壁设有第一大加强筋(6)，所述第二外风挡壁(2)的根部内壁设有第二大加强筋(7)，所述第一小加强筋(4)、所述第二小加强筋(5)、所述第一大加强筋(6)和所述第二大加强筋(7)的另一端相连接形成星型内部加强结构，所述第一小加强筋(4)和所述第二小加强筋(5)的厚度小于所述第一大加强筋(6)和所述第二大加强筋(7)的厚度。
7.根据权利要求6所述的高速列车外风挡结构，其特征在于，所述第一小加强筋(4)、所述第二小加强筋(5)、所述第一大加强筋(6)和所述第二大加强筋(7)的交点位于所述第一小加强筋(4)与所述第一外风挡壁(1)连接点的下方，且位于所述第一大加强筋(6)与所述第一外风挡壁(1)连接点的上方。
8.根据权利要求6所述的高速列车外风挡结构，其特征在于，所述第一小加强筋(4)和所述第二小加强筋(5)相对于外风挡结构断面的竖向轴线对称设置，所述第一大加强筋(6)和所述第二大加强筋(7)相对于外风挡结构断面的竖向轴线对称设置，所述第一小加强筋(4)、所述第二小加强筋(5)、所述第一大加强筋(6)和所述第二大加强筋(7)的交点位于外风挡结构断面的竖向轴线上。
9.根据权利要求6所述的高速列车外风挡结构，其特征在于，所述第一外风挡壁(1)、所述第二外风挡壁(2)和所述外风挡圆弧段(3)的厚度一致，所述第一外风挡壁(1)、所述第二外风挡壁(2)、所述外风挡圆弧段(3)、所述第一小加强筋(4)、所述第二小加强筋(5)、所述第一大加强筋(6)和所述第二大加强筋(7)一体成型设置。
10.根据权利要求6-9中任意一项所述的高速列车外风挡结构，其特征在于，所述第一外风挡壁(1)和所述第二外风挡壁(2)的根部均通过一紧固螺栓(8)和一紧固件内侧夹板(9)与一L型紧固件(10)相连接，所述L型紧固件(10)与所述第一外风挡壁(1)、所述第二外风挡壁(2)连接的一端外侧设有倒角(11)。
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