CN116484667B - 一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法，包括，建立支撑连接器结构的有限元模型；面向所述支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型；基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷；采用增量有限元方法，以所述拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对所述安定载荷进行验证。通过本发明提出的方法，可以在满足使用要求的情况下实现支撑连接器结构的轻量化。
Description
技术领域
本发明属于电气化铁路接触网零件轻量化设计技术领域。
背景技术
近年来，我国电气化铁路高速发展，到2035年，全国铁路网运营里程将达到20万公里左右。随着高速铁路开通里程和运营时间不断增长，可以预见后期新建线路对高可靠性接触网装备的需求量巨大。在运营过程中，发现传统接触网零部件有部分产品的强度已远高于标准要求，且在实际使用中从未发生过失效案例，因此为了降低能耗、节约成本，对产品进行轻量化设计有着很强的必要性。
支撑连接器作为接触网系统中必不可少的关键零部件，用于系统中平腕臂与斜腕臂之间、斜腕臂与定位管之间的支撑固定。目前支撑连接器的实际承载能力要远高于标准要求，安全系数较高，存在减重空间，可进一步挖掘其承载能力。
安定方法可以克服传统设计和强度理论仅从局部应力水平出发对结构形式进行评价的限制，更加充分地发挥材料的承载能力，降低材料的使用从而提高经济效益。结构在进入安定状态后，不会发生新的塑性变形。因此安定方法可以从整体出发优化材料的空间分布，在确保不发生疲劳破坏的前提下最大程度地利用材料与结构的强度裕度，并以此实现结构的极端轻量化。其在工程上的意义已经被大家所接受，并随着近些年的发展，广泛应用于诸多工程领域。
当前已有研究人员对于高速铁路接触网系统的支撑连接器结构开展了相关的研究。
北京交通大学韩俊杰等人对支撑连接器结构进行了有限元建模仿真，发现目前主流型号的支撑连接器强度远远满足要求。并采用名义应力法对结构进行了疲劳寿命估算及结构的疲劳仿真，表明在目前的行车状况下，疲劳强度同样远高于目前的标准要求。
西南交通大学孙建林等人以接触网支撑连接器为研究对象，使用SOLIDWORKS建立了接触网零部件的三维模型，导入ANSYS求解零部件的应力分布，对支撑连接器结构进行了静力学分析。
专利CN201446889U、CN201914114U、CN217574942U均从新构型设计的角度出发，考虑安装效率及可靠性等因素，分别设计了安装维修方便，安全可靠性高的新型支撑连接器结构。
综上可以看出，现有的支撑连接器相关研究，基本都是集中在零件的强度仿真分析验证以及新构型的设计方面。几乎没有对现有结构进行轻量化设计以及轻量化后的强度评估方面的研究。因此本发明提出了一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法，在使用以刚度为目标的拓扑优化算法得到基本构型后，将安定分析作为一种结构评估方法，进一步对强度进行评估，从而保障结构的刚度与强度均在轻量化后仍满足基本要求。形成一种首先以刚度为目标确定构型形式，再在此基础上以安定强度为评估目标的优化设计方法。这也是本发明设计方法的创新所在。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法，用于在满足使用要求的情况下实现支撑连接器结构的轻量化。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法，包括：
建立支撑连接器结构的有限元模型；
面向所述支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型；
基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷；
采用增量有限元方法，以所述拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对所述安定载荷进行验证。
另外，根据本发明上述实施例的一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建立支撑连接器结构的有限元模型，包括：
通过有限元软件Hypermesh、Abaqus对所述支撑连接器结构中主要零件进行简化处理及网格划分；
在Abaqus中的Interation模块设置有限元模型中各零件之间的接触属性；
在Abaqus中的载荷模块下通过创建载荷类型为螺栓载荷的方式，在U型螺栓竖直部分施加预紧力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述面向所述支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型，包括：
选取所述有限元模型中套管单耳零件作为拓扑优化的对象，将套管单耳结构与螺母及腕臂之间的接触关系转化为套管单耳结构的边界条件；其中，套管单耳与腕臂的接触转化为位移边界条件，将套管单耳与螺母的接触转换为力边界条件，其大小为预紧力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：
使用拓扑优化软件对套管单耳零件进行以刚度为目标的结构拓扑优化；采用SIMP拓扑优化算法，以最小化结构的总变形能为目标，以体积分数40％响应为约束，计算得到具有最大刚度的套管单耳结构构型。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷，包括：
开发基于Matlab平台的自主计算程序对优化后的套管单耳结构进行直接法安定分析，通过构建数学优化问题进行求解来得到拓扑优化后的支撑连接器结构的安定极限载荷。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采用增量有限元方法，以所述拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对所述安定载荷进行验证，包括：
在Abaqus有限元仿真软件中Load模块设置加载幅值曲线，模拟结构循环加载的过程，对拓扑优化后的支撑连接器结构赋予弹塑性参数，施加预紧力与垂直方向的外载，其中，外载荷为载荷比为0的循环载荷，所述循环载荷的峰值为安定极限；
在后处理模块提取计算后结构的塑性耗散功随循环载荷加载的变化曲线，通过观察结构的塑性耗散功曲线是否逐渐趋于平稳来判断结构是否处于安定状态。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估装置，包括以下模块：
构建模块，用于建立支撑连接器结构的有限元模型；
优化模块，用于面向所述支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型；
计算模块，用于基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷；
评估模块，用于采用增量有限元方法，以所述拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对所述安定载荷进行验证。
为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法。
为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法。
本发明实施例提出的支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法，一方面将安定理论用于高速铁路接触网零部件设计领域，克服了传统设计和强度理论仅从局部应力水平出发对结构形式进行评价的限制，从整体出发优化材料的空间分布，在确保不发生疲劳破坏的前提下最大程度地利用材料与结构的强度裕度，并以此实现结构的极端轻量化，降低产品生产成本，提高整体经济效益；另一方面将拓扑优化与安定方法相结合，形成一种首先以刚度为目标确定构型形式，再在此基础上以安定强度为评估标准的轻量化设计方法。该方法不仅能够支撑腕臂连接器的轻量化设计，也能服务于同类零件的优化与减重。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例所提供的一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法的流程示意图。
图2是本发明实施例所提供的支撑联接器结构组成示意图。
图3是本发明实施例所提供的支撑连接器结构的有限元模型。
图4是本发明实施例所提供的支撑连接器结构受预紧力作用下有限元模型的载荷及边界条件。
图5是本发明实施例所提供的支撑连接器结构受预紧力作用下结构应力场分布云图。
图6是本发明中选取独立的套管单耳零件后，套管单耳有限元模型的载荷及边界条件。
图7是本发明中套管单耳零件在单独取出计算后与在装配体中计算后应力场分布对比。
图8是本发明实施例所提供的套管单耳零件拓扑优化工况示意图。
图9是本发明实施例所提供的套管单耳零件拓扑优化过程。
图10是本发明实施例所提供的套管单耳结构拓扑优化后构型。
图11是本发明中直接法安定分析流程示意图。
图12是本发明中通过增量有限元法得到的塑性耗散功随循环载荷变化的曲线。
图13为本发明实施例所提供的一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估装置的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法。
实施例1
图1为本发明实施例所提供的一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法的流程示意图。
如图1所示，该支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法包括以下步骤：
S101：建立支撑连接器结构的有限元模型；
S102：面向支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型；
S103：基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷；
S104：采用增量有限元方法，以拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对安定载荷进行验证。
进一步地，在本发明的一个实施例中，建立支撑连接器结构的有限元模型，包括：
通过有限元软件Hypermesh、Abaqus对支撑连接器结构中主要零件进行简化处理及网格划分；
在Abaqus中的Interation模块设置有限元模型中各零件之间的接触属性；
在Abaqus中的载荷模块下通过创建载荷类型为螺栓载荷的方式，在U型螺栓竖直部分施加预紧力。
具体的，通过Hypermesh、Abaqus等有限元软件对支撑连接器中套管单耳、U型螺栓、锁紧螺母等主要零件进行简化处理及网格划分。
在Abaqus软件中的Interation模块设置支撑连接器模型中各零件之间的接触属性。接触对分别为U型螺栓与腕臂之间的接触、腕臂与套管单耳之间的接触以及套管单耳和螺母的接触。
在进行预紧力作用下的静力学仿真的过程中，在Abaqus载荷模块下通过创建载荷类型为螺栓载荷的方式，在U型螺栓竖直部分施加预紧力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，面向支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型，包括：
选取有限元模型中套管单耳零件作为拓扑优化的对象，将套管单耳结构与螺母及腕臂之间的接触关系转化为套管单耳结构的边界条件；其中，套管单耳与腕臂的接触转化为位移边界条件，将套管单耳与螺母的接触转换为力边界条件，其大小为预紧力。
具体的，S102中面向支撑连接器模型，选取独立的关键零件作为优化对象的原因为：由于支撑连接器装配体中存在接触等连接关系，在原模型中进行拓扑优化会产生巨大计算量，因此有必要选取独立的关键零件作为优化对象。具体为：选取支撑连接器这一装配体模型中套管单耳零件作为后续拓扑优化的对象，并将支撑连接器装配体中套管单耳结构与螺母及腕臂之间的接触关系转化为套管单耳结构的边界条件。其中套管单耳与腕臂的接触转化为位移边界条件，也就是将接触区域的自由度锁定，将套管单耳与螺母的接触转换为力边界条件，其大小为预紧力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：
使用拓扑优化软件对套管单耳零件进行以刚度为目标的结构拓扑优化；采用SIMP拓扑优化算法，以最小化结构的总变形能为目标，以体积分数40％响应为约束，计算得到具有最大刚度的套管单耳结构构型。
具体的，面向选取的套管单耳零件，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型包括：使用拓扑优化软件对套管单耳零件进行以刚度为目标的结构拓扑优化。采用SIMP拓扑优化算法，以三种工况下最小化结构的总变形能为目标，以体积分数40％响应为约束，计算得到具有最大刚度的套管单耳结构构型。
由于套管单耳服役时长期受交变载荷的作用，因此优化后的构型必须满足一定的疲劳强度。安定是指结构在受交变载荷下发生一定初始塑性变形后，后续塑性累积停止，响应变为纯弹性响应的现象。若结构处于安定状态，则不会发生低周疲劳失效，因此结构的安定极限适合作为评估套管单耳结构强度的一个指标。所述步骤S3面向拓扑优化后的套管单耳结构进行安定性分析评估，通过开发基于安定分析直接法的自主计算程序得到结构处于安定状态下相对应的安定载荷。具体为：开发基于Matlab平台的自主计算程序对优化后的套管单耳结构进行直接法安定分析。直接法安定分析基于安定下限定理，它可以通过构建数学优化问题并进行求解来得到结构的安定极限载荷。该计算程序能够读取有限元软件中的单元、节点信息，根据这些信息形成优化问题所需的关键矩阵，同时编写了与优化求解器的接口，对第三方求解器进行调用以实现安定问题的数值求解。
进一步地，在本发明的一个实施例中，基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷，包括：
开发基于Matlab平台的自主计算程序对优化后的套管单耳结构进行直接法安定分析，通过构建数学优化问题进行求解来得到拓扑优化后的支撑连接器结构的安定极限载荷。
进一步地，在本发明的一个实施例中，采用增量有限元方法，以拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对安定载荷进行验证，包括：
在Abaqus有限元仿真软件中Load模块设置加载幅值曲线，模拟结构循环加载的过程，对拓扑优化后的支撑连接器结构赋予弹塑性参数，施加预紧力与垂直方向的外载，其中，外载荷为载荷比为0的循环载荷，循环载荷的峰值为安定极限；
在后处理模块提取计算后结构的塑性耗散功随循环载荷加载的变化曲线，通过观察结构的塑性耗散功曲线是否逐渐趋于平稳来判断结构是否处于安定状态。
S104采用增量有限元方法，对S103中通过直接法计算得到的安定载荷进行验证。具体为：在Abaqus有限元仿真软件中Load模块设置加载幅值曲线，模拟结构循环加载的过程，循环加载周期设置为10次。对拓扑优化后结构赋予弹塑性参数，施加预紧力与垂直方向的外载。外载荷为载荷比为0的循环载荷，其峰值为安定极限。在后处理模块提取计算后结构的塑性耗散功随循环载荷加载的变化曲线，通过观察结构的塑性耗散功曲线是否逐渐趋于平稳来判断结构是否处于安定状态。
实施例2
本发明实施例2提供了一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法，包括以下步骤S201至S204。
S201、建立支撑连接器装配体的有限元模型，对装配体进行在预紧力作用下的静力学仿真。
在本实施例中，以目前普遍使用的支撑连接器作为具体实施对象，其结构如图2所示，主要零件包括U形螺栓1、套管单耳2和锁紧螺母3，其中套管单耳2的Y形开口方向与U形螺栓1的U形开口方向相对，套管单耳2的Y形开口两侧分别开有安装孔，U形螺栓的开口端部分别通过锁紧螺母3与安装孔进行配合连接。
根据支撑连接器的几何模型，建立相应的有限元模型，具体步骤如下：将支撑连接器几何模型导入到Hypermesh商业有限元软件，首先对几何模型进行简化处理。将U型螺栓的螺纹忽略，并将U型螺栓与螺母视为一个整体；另外，将套管单耳结构的圆角进行清理，这样简化的好处是可以减少单元数量，方便使用扫略法(Sweep)和多域法(Multizone)划分网格。
在本实施例中，实际工况下支撑连接器与腕臂相连接，本研究重点在于考虑套管单耳的强度，而不考虑腕臂的失效，因此将腕臂设为实心的圆柱体模型。有限元模型中所有零部件网格类型均为六面体网格，其中套管单耳单元数量为64412，结点数目为76690；腕臂单元数量为111600，结点数目为117181；U型螺栓单元数量为23872，结点数目为27118。以长宽比(Aspect)和翘曲度(Warpage)作为指标进行网格质量控制，最终的生成的网格的长宽比均小于5：1，翘曲度均小于5度。所有单元类型为一阶六面体缩减积分C3D8R单元。最终划分网格模型如图3所示。
在本实施例中，有限元模型的材料参数如表1所示：
表1支撑连接器结构材料参数
在本实施例中，在Abaqus中的Interation模块设置支撑连接器模型中各零件的接触属性。接触对为U型螺栓与腕臂之间的接触，腕臂与套管单耳之间的接触以及套管单耳和螺母的接触。接触设置中，法向接触行为设为硬接触，切向接触行为设有0.3的摩擦因数。接触对设置中主从面的选择遵循以下原则：网格较粗的面作为主面；网格密度相当时，较硬的材料作为主面。
利用Abaqus载荷模块下创建载荷类型为螺栓载荷的方式施加预紧力，在U型螺栓竖直部分施加预紧力，大小为7749N。位移边界条件为完全固定腕臂轴向的两端，载荷及边界条件的施加如图4所示。材料模型设置为纯弹性模型，提交计算得到支撑连接器装配体的应力分布云图如图5所示。
S202、面向支撑连接器模型，选取独立的关键零件作为优化对象，以给定载荷作用下结构的总变形能为目标，以体积分数响应为约束，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型。
在本实施例中，由于支撑连接器装配体中存在接触等连接关系，在原模型中进行拓扑优化会产生巨大计算量，因此有必要选取独立的关键零件作为优化对象。
针对关键零件在装配体中的受力特点制定载荷与边界条件，确保在其作用下零件行为与装配体中相一致。具体为：把支撑连接器这一装配体模型中的套管单耳零件模型单独取出，并将支撑连接器中套管单耳结构与螺母及腕臂之间的接触关系转化为套管单耳结构的边界条件，如图6所示。其中套管单耳与腕臂的接触转化为位移边界条件，也就是将线接触区域的自由度锁定；将套管单耳与螺母的接触转换为力边界条件，其大小与预紧力相同，为7749N。
单独取出后的套管单耳模型在施加上述边界和载荷后提交计算，其应力分布如图7中a部分所示。对比其在装配体中的应力分布如图7中b部分，发现应力场分布基本一致，说明将套管单耳零件单独取出后，载荷及边界条件的设置合理，后续拓扑优化将面向套管单耳零件进行。
进一步地，以独立的套管单耳零件为对象，使用拓扑优化软件对其进行以刚度为目标的结构拓扑优化。以给定载荷作用下结构的总变形能为目标，以体积分数响应为约束，计算得到具有最大刚度的结构构型。具体为：
支撑连接器中的套管单耳结构在服役时同时受到预紧力以及水平或垂直载荷，因此拓扑优化为多工况下的优化参考TB/T 2075-2020技术标准，支撑连接器最大水平工作载荷为4.5kN，最大垂直工作载荷为4.9kN，工况示意如图8所示。将优化目标设置为在套管单耳在预紧力载荷为7749N前提下，最小化水平载荷为4.5kN与-4.5kN和垂直载荷为4.9kN这三种工况下的总应变能。
因优化需要大量迭代计算而SIMP算法迭代效率较高，因此采用SIMP算法进行拓扑优化，其中惩罚因子p设为3。优化的约束条件为设计域体积的40％，优化目标函数以及约束条件表达如下式：
拓扑优化过程如图9所示，在优化进行5个迭代步后，刚度和体积收敛速度变缓，最终在第32迭代步取得最优解。最终得到优化后的套管单耳构型如图10所示。
S203、面向拓扑优化后的支撑连接器结构进行安定性分析评估，通过开发基于安定分析直接法的自主计算程序得到结构处于安定状态下相对应的安定载荷。
在本实施例中，开发基于Matlab平台的自主计算程序对优化后的套管单耳结构进行直接法安定分析。直接法安定分析基于安定下限定理，它可以得到结构安定极限载荷的下限值。该定律的数学表达式为：
在上式中，为微分算子，n为外法矢，α为需要求解的载荷因子，F为屈服条件，/>为对结构施加的边界条件。此定理可以叙述为：对于经受交变载荷的弹塑性体，可以找到一个参考的纯弹性体，该纯弹性体除了塑性行为之外，其他条件均与之前的弹塑性体完全相同。在给定的载荷和边界条件下，纯弹性体的应力分布记为σe(x,t)。若存在一个不随时间变化的自平衡残余应力场/>与弹性应力场σe(x,t)叠加满足屈服条件，则与σe对应的载荷P使结构安定。在所有满足安定条件的载荷P中，最大值记为PSD。根据上述定律，安定载荷PSD可以通过直接对一个优化问题求解来得出。
进一步地，使用有限元方法对结构进行离散化处理来构造优化问题。通过数值方法描述残余应力场，使之满足平衡条件。处理后，Melan定理中的等式约束可以写成等效数值积分形式如下式：
其中,B是单元位移-应变矩阵，NE是单元数目，NGE是每个单元的高斯点数目，NG是全局高斯点数目，Ve是单个单元的体积，ξ,η,是标准坐标系下的三个基，ωij是单元i中积分点j的权重系数，J是雅克比矩阵的行列式，C是结构平衡矩阵。
进一步地，根据静力安定列式的约束要求，在结构中所有NG个高斯点上都要满足屈服条件，使得结构处处不违背屈服准则F。NV为载荷域边界角点的数目，静力安定定理可以写为以下离散化数学规划问题的形式：
对于适用von Mises屈服准则的理想弹塑性材料，上式中的F即为von Mises屈服准则式。式(4)为安定优化问题的数学格式，通过求解此优化问题来确定结构的安定极限载荷。
进一步地，针对结构安定条件所对应的数学优化问题开发基于Matlab平台的计算程序。该程序能够读取有限元软件中的单元、节点信息，根据这些信息形成优化问题中所需的关键矩阵，同时编写与优化求解器的接口，对第三方求解器进行调用以实现安定问题的数值求解。直接法安定分析具体步骤如下，如图11所示。
S301、通过Abaqus完成模型弹性计算；
S302、通过Python提取单元节点信息；
S303、通过Matlab构造安定优化问题；
S304、通过Gurobi求解安定载荷因子。
进一步地，在本实施例中，所述步骤S301对套管单耳结构进行弹性分析，设置材料模型为纯弹性模型，外载荷为垂直方向向下的拉力载荷，大小为10000N，提交作业得到结构的弹性应力场，对应于式(1)中的σe(x,t)；
在本实施例中，所述步骤S302通过Python程序提取通过步骤S301得到的套管单耳的弹性应力场的节点坐标、单元编号、节点位移、单元应力分量等信息并进行存储。
在本实施例中，所述步骤S303通过Matlab有限元程序对步骤S302中得到的信息进行处理，形成优化问题(4)求解所需要的C矩阵等关键矩阵。
在本实施例中，所述步骤S304编写Matlab与优化求解器Gurobi的接口，对求解器进行调用，进行安定优化问题的数值求解，求解得到安定载荷因子α为1.5479。将安定载荷因子α与弹性场下施加的载荷10000N相乘，得到优化后套管单耳结构的安定极限载荷为15479N。
在本实施例中，参考TB/T 2075-2020技术标准，套管单耳垂直破坏载荷大于或等于14700N。优化后套管单耳结构的安定极限载荷为15479N，大于破坏载荷，因此在服役期间可以满足强度要求。
S204、采用增量有限元方法，得到在以安定载荷为峰值的循环载荷作用下结构的塑性耗散功曲线作为评估结构安定行为的指标，对步骤S203中得到的安定载荷进行验证。
在本实施例中，为了实现安定分析结果的验证，在获得安定载荷后在有限元软件中以增量有限元法对其进行验证。增量有限元法是用来验证结构安定的一种常用方法，将安定载荷以多个周期的形式施加在结构中，并通过研究总塑性耗散功变化趋势等对安定分析的结果进行验证分析，并以此为依据形成结构是否发生安定的结论。具体如下：
增量有限元法验证中使用弹塑性材料模型，在Abaqus有限元软件中模拟结构循环加载的过程，对拓扑优化后构型赋予弹塑性参数，施加预紧力与垂直方向的外载。外载荷为载荷比为0的循环载荷，其峰值为S103步骤中求解得到的15479N的安定极限载荷，设置循环加载周期为10次。提取计算后提取历程输出中的的塑性耗散功数据进行处理分析，绘制周期加载过程中塑性耗散功的值随循环载荷加载的变化曲线如图12所示。
进一步地，对塑性耗散功曲线进行分析。可以看出，随着载荷周期的不断加载，结构的塑性耗散功曲线趋于平稳，说明在后续的加载周期中不产生新的塑性变形，结构处于安定状态，对直接法求解的结果进行了验证，说明求解得到优化后连接器本体的15479N的安定极限载荷是客观真实的。
整个过程将拓扑优化与安定方法相结合，形成一种以刚度为目标确定拓扑优化后构型形式，再在此基础上以安定强度为评估标准的轻量化设计方法。该方法不仅能够用于接触网支撑连接器结构的轻量化设计，也同样可以服务于同类零件的优化减重。
本发明实施例提出的支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法，一方面将安定理论用于高速铁路接触网零部件设计领域，克服了传统设计和强度理论仅从局部应力水平出发对结构形式进行评价的限制，从整体出发优化材料的空间分布，在确保不发生疲劳破坏的前提下最大程度地利用材料与结构的强度裕度，并以此实现结构的极端轻量化，降低产品生产成本，提高整体经济效益；另一方面将拓扑优化与安定方法相结合，形成一种首先以刚度为目标确定构型形式，再在此基础上以安定强度为评估标准的轻量化设计方法。该方法不仅能够支撑腕臂连接器的轻量化设计，也能服务于同类零件的优化与减重。
为了实现上述实施例，本发明还提出一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估装置。
图13为本发明实施例提供的一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估装置的结构示意图。
如图13所示，该支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估装置包括：构建模块100，优化模块200，计算模块300,评估模块400,其中，
构建模块，用于建立支撑连接器结构的有限元模型；
优化模块，用于面向支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型；
计算模块，用于基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷；
评估模块，用于采用增量有限元方法，以拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对安定载荷进行验证。
为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法。
为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立支撑连接器结构的有限元模型；
面向所述支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型；
基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷；
采用增量有限元方法，以所述拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对所述安定载荷进行验证；
其中，所述基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷，包括：
开发基于Matlab平台的自主计算程序对优化后的套管单耳结构进行直接法安定分析；其中所述直接法安定分析基于安定下限定理；
通过构建数学优化问题进行求解来得到拓扑优化后的支撑连接器结构的安定极限载荷；
其中，所述通过构建数学优化问题进行求解来得到拓扑优化后的支撑连接器结构的安定极限载荷，包括：
通过数值方法描述残余应力场，使之满足平衡条件，则Melan定理中的等式约束可以写成等效数值积分形式如下式：
，
其中, 是单元位移-应变矩阵，/>是单元数目，/>是每个单元的高斯点数目，/>是全局高斯点数目，/>是单个单元的体积，/>是标准坐标系下的三个基，/>是单元/>中积分点/>的权重系数，/>是雅克比矩阵的行列式，/>是结构平衡矩阵；
根据静力安定列式的约束要求，在结构中所有个高斯点上都要满足屈服条件，使得结构处处不违背屈服准则/>，其中/>为载荷域边界角点的数目， 则静力安定定理可以写为以下离散化数学规划问题的形式：
，
通过求解此优化问题来确定结构的安定极限载荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立支撑连接器结构的有限元模型，包括：
通过有限元软件Hypermesh、Abaqus对所述支撑连接器结构中零件进行简化处理及网格划分；
在Abaqus中的Interation模块设置有限元模型中各零件之间的接触属性；
在Abaqus中的载荷模块下通过创建载荷类型为螺栓载荷的方式，在U型螺栓竖直部分施加预紧力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述面向所述支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型，包括：
选取所述有限元模型中套管单耳零件作为拓扑优化的对象，将套管单耳结构与螺母及腕臂之间的接触关系转化为套管单耳结构的边界条件；其中，套管单耳与腕臂的接触转化为位移边界条件，将套管单耳与螺母的接触转换为力边界条件，其大小为预紧力。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
使用拓扑优化软件对套管单耳零件进行以刚度为目标的结构拓扑优化；采用SIMP拓扑优化算法，以最小化结构的总变形能为目标，以体积分数40%响应为约束，计算得到具有最大刚度的套管单耳结构构型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用增量有限元方法，以所述拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对所述安定载荷进行验证，包括：
在Abaqus有限元仿真软件中Load模块设置加载幅值曲线，模拟结构循环加载的过程，对拓扑优化后的支撑连接器结构赋予弹塑性参数，施加预紧力与垂直方向的外载，其中，外载荷为载荷比为0的循环载荷，所述循环载荷的峰值为安定极限；
在后处理模块提取计算后结构的塑性耗散功随循环载荷加载的变化曲线，通过观察结构的塑性耗散功曲线是否逐渐趋于平稳来判断结构是否处于安定状态。
6.一种支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估装置，其特征在于，包括以下模块：
构建模块，用于建立支撑连接器结构的有限元模型；
优化模块，用于面向所述支撑连接器结构的有限元模型，选取独立的关键零件作为优化对象，通过拓扑优化获取具有最大刚度的结构构型；
计算模块，用于基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷；
评估模块，用于采用增量有限元方法，以所述拓扑优化后的支撑连接器结构在循环载荷作用下的塑性耗散功作为评估指标，对所述安定载荷进行验证；
其中，所述基于安定分析直接法得到拓扑优化后的支撑连接器结构处于安定状态下对应的安定载荷，包括：
开发基于Matlab平台的自主计算程序对优化后的套管单耳结构进行直接法安定分析；其中所述直接法安定分析基于安定下限定理；
通过构建数学优化问题进行求解来得到拓扑优化后的支撑连接器结构的安定极限载荷；
其中，所述通过构建数学优化问题进行求解来得到拓扑优化后的支撑连接器结构的安定极限载荷，包括：
通过数值方法描述残余应力场，使之满足平衡条件，则Melan定理中的等式约束可以写成等效数值积分形式如下式：
，
其中, 是单元位移-应变矩阵，/>是单元数目，/>是每个单元的高斯点数目，/>是全局高斯点数目，/>是单个单元的体积，/>是标准坐标系下的三个基，/>是单元/>中积分点/>的权重系数，/>是雅克比矩阵的行列式，/>是结构平衡矩阵；
根据静力安定列式的约束要求，在结构中所有个高斯点上都要满足屈服条件，使得结构处处不违背屈服准则/>，其中/>为载荷域边界角点的数目， 则静力安定定理可以写为以下离散化数学规划问题的形式：
，
通过求解此优化问题来确定结构的安定极限载荷。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述评估模块，还用于：
在Abaqus有限元仿真软件中Load模块设置加载幅值曲线，模拟结构循环加载的过程，对拓扑优化后的支撑连接器结构赋予弹塑性参数，施加预紧力与垂直方向的外载，其中，外载荷为载荷比为0的循环载荷，所述循环载荷的峰值为安定极限；
在后处理模块提取计算后结构的塑性耗散功随循环载荷加载的变化曲线，通过观察结构的塑性耗散功曲线是否逐渐趋于平稳来判断结构是否处于安定状态。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-5中任一所述的支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任意一项所述的支撑连接器结构的拓扑优化与安定评估方法。
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