CN116595638A - 一种车体结构件设计优化方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种车体结构件设计优化方法、设备及介质，所述方法包括：设定车体结构件参数；根据所述车体结构件参数建立车体结构件几何模型；对车体结构件几何模型进行仿真验证，并对根据仿真验证的结果对车体结构件参数进行更新后再次建立车体结构件几何模型，直至仿真验证的结果达到预设的标准结果。采用本申请实施例中提供的车体结构件设计优化方法，可以对车体结构件不断进行优化从而获得最优的仿真结果，从而可以根据该仿真结果进行后续的车体结构件加工。本申请实施例通过参数化与程序式语言实现建模过程与仿真过程无缝衔接，无需对建模文件进行任何格式转换，以更为完整且真实的几何模型进行仿真验证，以避免出现失真情况。

Description

一种车体结构件设计优化方法、设备及介质

技术领域

本申请涉及轨道交通领域，尤其涉及一种车体结构件设计优化方法、设备及介质。

背景技术

针对铁路大型养路机械车体结构件的设计，传统的保守、类比设计方法在效率、准确性、可靠性以及经济性上已无法适应市场的需求。随着结构有限元理论和算法的日趋完善，通过对离散体进行分析，得到满足工程精度近似结果，替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。在计算数值模拟快速发展的时代，借助专业的仿真计算手段显得尤为重要。

铁路大型养路机械车体结构件的建模目前主要依赖于各种三维CAD软件。对其进行强度、刚度、模态、疲劳等有限元分析时，往往通过中间格式将几何模型导入至分析软件中。操作繁琐，模型几何特征有失真情况，往往需要进行去除小圆角、小孔、模型简化、几何缝合等模型处理过程，不便于方案的快速频繁的优化修改，技术人员重复劳动成本大，设计周期长。此外，目前有限元分析软件自带建模能力普遍较弱，几何更改性较差，对于超大型结构件的建模及优化修改操作繁琐复杂，难以胜任超大型结构的方案优化设计需求。

发明内容

为了解决上述技术缺陷，本申请实施例中提供了一种车体结构件设计优化方法、设备及介质。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种车体结构件设计优化方法，所述方法包括：

设定车体结构件参数；

根据所述车体结构件参数建立车体结构件几何模型；

对所述车体结构件几何模型进行仿真验证，并对根据仿真验证的结果对所述车体结构件参数进行更新后再次建立车体结构件几何模型，直至所述仿真验证的结果达到预设的标准结果。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种车体结构件设计优化设备，包括：

存储器；

处理器；以及

计算机程序；

其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如本申请实施例第一方面所述的方法。

根据本申请实施例的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如本申请实施例第一方面所述的方法。

采用本申请实施例中提供的车体结构件设计优化方法，通过创建“设计-建模-仿真-修改设计-再建模-再仿真”的循环流程，可以对车体结构件不断进行优化从而获得最优的仿真结果，从而可以根据该仿真结果进行后续的车体结构件加工。本申请实施例通过参数化与程序式语言实现建模过程与仿真过程无缝衔接，无需对建模文件进行任何格式转换，以更为完整且真实的几何模型进行仿真验证，以避免出现失真情况。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例1提供的一种车体结构件设计优化方法的流程示意图；

图2为本申请实施例1提供的常用型钢的子结构几何模型示意图；

图3和图4为本申请实施例1提供的常用零件子结构几何模型示意图；

图5至图7为本申请实施例1提供的常用总成组件子结构几何模型示意图；

图8和图9为本申请实施例1提供的车体结构件仿真验证示意图；

图10为本申请实施例1提供的车体结构件设计优化方法一种实施方式的流程图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种车体结构件设计优化方法，该方法包括：

S101、设定车体结构件参数；

S102、根据所述车体结构件参数建立车体结构件几何模型。

具体的，本实施例中，首先从车体结构件的概念设计作为出发点，明确车体结构件的设计定位，通过在功能性要求、尺寸要求以及重量要求等基础上形成结构的初步概念。然后在初步概念设计基础上建立几何模型。

更为具体的，将车体结构件拆解为多个子结构。其中，可根据车体结构件中不同零件的功能、尺寸或重量等需求进行拆解。设定特征参数和坐标系，并根据该特征参数和坐标系对多个子结构分别建立子结构几何模型。将多个子结构几何模型整合后输出车体结构件几何模型。其中，本实施例中特征参数和坐标系具有统一性，即任何子结构几何模型的建立过程均是围绕该统一的特征参数和坐标系而执行的。这样可以保证整合后输出的车体结构件几何模型具备良好的几何更改性。此外，本实施例中，对多个子结构分别建立子结构几何模型时，可将子结构的外表面作为基准建立子结构几何模型。由于子结构的外表面通常较为规整，因此，将子结构的外表面作为基准进行建模较为准确。

由于本实施例中采用统一特征参数和坐标系建立车体结构件几何模型，使得车体结构件的子结构之间具有一定的关联性。在此基础上，本实施例将多个子结构中相邻的子结构的尺寸参数进行关联，从而实现改变任意一个子结构尺寸参数时，可实现车体结构件几何模型全局快速修改，不必逐一修改各个子结构的尺寸参数。例如技术人员可通过对某一个子结构的长度进行修改时，与其相邻的子结构的尺寸也会根据统一的特征参数和坐标系进行同步更新，缩短了设计和制造周期。对于重用率较高的子结构，可建立子结构几何模型模板，并将多个子结构几何模型模板置于子结构几何模型库中，如图2至图7所示分别为常用型钢的子结构几何模型、常用零件子结构几何模型和常用总成组件子结构几何模型示意图。通过调用子结构几何模型的宏程序对子结构几何模型库中的子结构几何模型进行调用，可提高车体结构件的建模效率。另外，为了避免在建立几何模型中因编号错乱引起的几何模型混乱。本实施例采用坐标来定位车体结构件几何模型中点、线、面、体等图元。

图2中的（1）、（2）、（3）分别展示了H型钢、角钢和槽钢的模型。H型钢的长度为arg1，底板宽度为arg2，腹板高度为arg3。角钢的长度为arg1，两个板的宽度分别为arg2和arg3。槽钢的长度为arg1，开口宽度为arg3，底板宽度为arg2。

图3中的（1）至（4）分别展示了从板座、端板和筋板一的模型。图4中的（1）至（3）分别展示了筋板二、筋板三和筋板四的模型。图5中的（1）至（3）分别展示了箱型缓冲梁、枕梁和连接箱的模型。

S103、对所述车体结构件几何模型进行仿真验证，并对根据仿真验证的结果对所述车体结构件参数进行更新后再次建立车体结构件几何模型，直至所述仿真验证的结果达到预设的标准结果。

具体的，本实施例中，在获取到车体结构件几何模型后，将该车体结构件几何模型输入至本实施例所提出的仿真软件中。其中，本实施例几何模型的建立过程和后续仿真验证过程均采用APDL程序语言实现。首先对车体结构件几何模型进行赋值操作获得车体结构件有限元模型。该赋值操作包括对材料、单元类型以及实常数等属性的赋值。然后采用具有节点偏置功能的壳单元对车体结构件有限元模型进行向车体结构件内侧偏置的有限元网格划分。接着对车体结构件有限元模型添加约束条件和载荷，并进行求解计算获得仿真参数。该仿真参数具体可包括位移参数、应力参数、模态以及疲劳等。最后根据上述仿真参数获得仿真验证结果。将仿真验证结果与符合标准的设计方案进行比较，如果没有满足标准，那么对车体结构件的参数进行更新后再次重复进行建模，例如添加补强结构或删除多余结构等。然后再进行仿真验证，直至仿真验证的结果达到标准，以满足车体结构件强度、刚度、稳定性、模态或总重量等综合性能，如图8和图9所示。优化后的车体结构件可经由CAD建模软件重构后输出最终的CAD模型，并输出工程图以进行后续的车体结构件加工。

此外，本实施例中，在对车体结构件几何模型进行仿真验证的过程中可编制常用的按钮程序。例如，按钮功能1（代号：Yjm）为自动生成截面为1mm-100mm对应编号为1-99的top单元截面（单元类型为shell181）；按钮功能2（代号：Yjp）自动调节ANSYS窗口背景颜色，同时放大字体，数值保留3位有效数字，隐藏不必要信息；按钮功能3（代号Ymsht）为自动检查单元连续性；按钮功能4（代号：Ynone）隐藏当前所有图元，用于新建复杂模型；按钮功能5为生成用于约束的184单元；按钮功能6为生成质量点。以上仅是按钮程序的某一示例，具体按钮功能可根据实际设计情况灵活调整。

如图10所示，本实施例提供一种“无”模型优化算法：

一、边界条件：

1.约束条件：如心盘式约束，中心销式约束等。

2.载荷施加：铁路标准中规定的载荷。

二、目标值：满足铁路标准中要求的刚度、强度的车体结构，兼具经济性，轻量化要求。

1.强度满足材料的许用应力

2.刚度值为满足铁路标准刚度要求。

3.材料牌号最低、成本最低、重量最轻。

三、具体实现过程

1.车体模型建立（从无到有）

以既有车体各种典型结构化模块、各种完整的车体结构建立车体结构云数据库。根据新的设计要求，GUI交互形式录入新设计车体方案主要参数：车架长，车架宽，车架主梁高，承载形式，车辆定距等设计条件。系统自动检索匹配出相似度高的既有车体模型，并导出车架壳体结构文件进入有限元前处理软件中，即从“无”至“有”。以导出的车架基本模型为蓝本。以统一的全局坐标为基准，分配给不同车架设计者分别以APDL语言或者采用SCDM等形式对车架局部结构进行设计，设计完成后与车架蓝本进行模型合并。定义相关有限元属性、剖分网格以形成完整的有限元模型。

2.边界条件的选择/输入，约束条件的加载，载荷加载。

3.求解，得到第一版本计算结果。

4.优化过程：

以第一版计算结果为基础，进行结构优化。

目标值及其优先级定义：以刚度为第一目标值，强度为第二目标值，总重为第三目标值，优先保证层级从第一目标到第三目标依次递减。

步骤一：结构刚度设计的迭代过程：以编程形式实现以下操作：增加主承载截面抗弯刚度为主要因素，逐步递增截面高度或选择不同截面形式，如槽钢式、H型钢式、箱形梁式等以增加截面抗弯刚度，当满足标准要求刚度条件时，求得满足标准要求刚度（亦可设定安全裕量）情况下的最简结构形式及其尺寸最小值，重复加载边界条件，并得到第二版本计算结果。

步骤二：强度设计的迭代过程：在满足第一目标基础上，以编程形式进行如下操作：对第二版本结构进行拓扑优化，优化结构基本形状。以结构最大应力小于许用应力为条件进行材料的板厚的增减迭代运算，以保证结构强度并提高材料强度利用率。并统计车体结构总重。

步骤三：步骤二中板厚值超出可选材料库范围，或者总重超出第三目标值时，选择强度更高一级的材料牌号，调整相应许用应力值及板厚，重复步骤二，直至求得最优结果。

实施例2

对应实施例1，本实施例提出了一种车体结构件设计优化设备，该设备包括：

存储器；

处理器；以及

计算机程序；

其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现一种车体结构件设计优化方法。该车体结构件设计优化方法可参照实施例1所记载的内容，本实施例不再进行赘述。

实施例3

本实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现一种车体结构件设计优化方法。该车体结构件设计优化方法可参照实施例1所记载的内容，本实施例不再进行赘述。

本申请实施例基于APDL语言实现铁路大型养路机械车体结构件的参数化、模块化、程序式建模与分析优化。通过建立统一的特征参数和坐标系，可分别由不同设计者协同对超大型车体结构件的各子结构进行参数化编程建模，实现高效的分布式子数模建立。整合协同设计者的子数模形成完整的超大型车体结构件数模，并在后续的网格划分、边界条件的施加、载荷的施加、求解计算过程中全部应用APDL参数化语言贯穿始终。通过创建“设计-建模-仿真-修改设计-再建模-再仿真”的循环流程，可以对车体结构件不断进行优化从而获得最优的仿真结果，从而可以根据该仿真结果进行后续的车体结构件加工。本申请实施例通过参数化与程序式语言实现建模过程与仿真过程无缝衔接，无需对建模文件进行任何格式转换，以更为完整且真实的几何模型进行仿真验证，以避免出现失真情况。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“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。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种车体结构件设计优化方法，其特征在于，所述方法包括：

设定车体结构件参数；

根据所述车体结构件参数建立车体结构件几何模型；

对所述车体结构件几何模型进行仿真验证，并对根据仿真验证的结果对所述车体结构件参数进行更新后再次建立车体结构件几何模型，直至所述仿真验证的结果达到预设的标准结果；

所述设定车体结构件参数，根据所述车体结构件参数建立车体结构件几何模型的过程包括：

将车体结构件拆解为多个子结构；

设定特征参数和坐标系，并根据所述特征参数和坐标系对多个子结构分别建立子结构几何模型；

将多个子结构几何模型整合后输出车体结构件几何模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对多个子结构分别建立子结构几何模型的过程包括：

以所述子结构的外表面为基准建立所述子结构几何模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特征参数包括尺寸参数，所述设定车体结构件参数，根据所述车体结构件参数建立车体结构件几何模型的过程还包括：

将所述多个子结构中相邻的子结构的尺寸参数进行关联；

改变任意一个子结构的尺寸参数时，相邻子结构的尺寸参数同步更新。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

建立子结构几何模型模板，并将多个子结构几何模型模板置于子结构几何模型库中。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

采用坐标定位所述车体结构件几何模型中的图元。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述车体结构件几何模型进行仿真验证的过程包括：

对所述车体结构件几何模型进行赋值操作获得车体结构件有限元模型；

对所述车体结构件有限元模型添加约束条件和载荷；

对添加约束条件和载荷的车体结构件有限元模型进行求解计算获得仿真参数；

根据所述仿真参数获得仿真验证结果。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述对所述车体结构件几何模型进行赋值操作获得车体结构件有限元模型之后，所述对所述车体结构件几何模型进行仿真验证的过程还包括：

通过壳单元对所述车体结构件有限元模型进行向车体结构件内侧偏置的有限元划分。

8.一种车体结构件设计优化设备，其特征在于，包括：

存储器；

处理器；以及

计算机程序；

其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如权利要求1至7任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1至7任一项所述的方法。