圖 2.1 白車(chē)身開(kāi)發(fā)C1階段：構(gòu)建設(shè)計(jì)空間&定義載荷路徑

                                                圖2.2 白車(chē)身開(kāi)發(fā)C2階段：板桿梁低保真模型

                                               圖2.3 白車(chē)身開(kāi)發(fā)C3階段：精細(xì)化有限元模型

       事實(shí)上在零部件級(jí)別的輕量化設(shè)計(jì)研究中，同樣可以采用類(lèi)似C123設(shè)計(jì)方法的正向研發(fā)體系，幫助設(shè)計(jì)人員快速完成兼具輕量化特性及優(yōu)異剛強(qiáng)度性能的概念模型的搭建。本文的第3、4、5節(jié)，即按照類(lèi)C123設(shè)計(jì)方法，分別完成了設(shè)備安裝架的三輪概念設(shè)計(jì)。其中，第3節(jié)，對(duì)經(jīng)設(shè)計(jì)空間提取的傳力路徑模型進(jìn)行了第一輪粗校核；第4節(jié)中，對(duì)通過(guò)粗校核的傳力路徑模型，基于PolyNURBS技術(shù)進(jìn)行了幾何重構(gòu)，對(duì)重構(gòu)后的概念設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了第二輪校核；第5節(jié)中，則針對(duì)零件部分區(qū)域存在的表面應(yīng)力集中問(wèn)題，通過(guò)自由形狀優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了局部詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 關(guān)于BS EN 12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)

     BS EN 12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)，英文全稱(chēng)為Railway applications-Structuralre quirements of railway vehicle bodies EN 12663-1:2010，即鐵路設(shè)施.鐵路車(chē)輛車(chē)身的結(jié)構(gòu)要求（2010修訂版），由歐洲標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（EN）發(fā)布，為歐洲鐵道行業(yè)強(qiáng)制執(zhí)行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并廣泛為國(guó)內(nèi)的鐵道車(chē)輛主機(jī)廠(chǎng)采用。該標(biāo)準(zhǔn)第一部分為機(jī)車(chē)和鐵路客運(yùn)車(chē)輛及鐵路貨運(yùn)車(chē)輛的選用方法，對(duì)車(chē)體內(nèi)外各部類(lèi)及零件的設(shè)計(jì)及校核方法進(jìn)行了明確的規(guī)定。

如圖2.4 所示，為筆者為本次參賽，自行設(shè)計(jì)的車(chē)下設(shè)備安裝架及其總體布局。四組安裝架以對(duì)置形式將負(fù)載懸吊于于車(chē)體下方；各安裝架通過(guò)兩組共四枚M10螺栓與車(chē)體連接；支架整體截面形態(tài)為L(zhǎng)型掛鉤結(jié)構(gòu)，并在其上表面鑄有INSPRE 2020銘文；單個(gè)安裝架的平均負(fù)載為50kg。

                                                        圖2.4 安裝架幾何形態(tài)及位置

      EN 12663-1:2010規(guī)定車(chē)外設(shè)備安裝架結(jié)構(gòu)的校核載荷為靜強(qiáng)度載荷和疲勞載荷兩種。以P-III類(lèi)型，即地鐵、輕軌和快軌車(chē)型為例，靜強(qiáng)度載荷工況為：

      1）垂向載荷：大小為（1+C）倍重力加速度，方向?yàn)榻Ｗ鴺?biāo)系Z軸負(fù)向。其中C的取值范圍為0.0至2.0，視安裝架距車(chē)體端部距離而改變。在本文算例中取極端工況，即C=2.0進(jìn)行校核；

      2）橫向載荷：大小為1倍重力加速度，方向?yàn)榻Ｗ鴺?biāo)系Y軸正負(fù)向；

      3）縱向載荷：大小為3倍重力加速度，方向?yàn)榻Ｗ鴺?biāo)系X軸正負(fù)向。本文算例中考慮結(jié)構(gòu)為鏡像對(duì)稱(chēng)形態(tài)，因此僅需對(duì)X軸正向的工況進(jìn)行校核。

      以上三組校核工況通過(guò)條件為材料應(yīng)力水平應(yīng)位于材料屈服極限內(nèi)。

     此外歐標(biāo)中還有針對(duì)疲勞工況的設(shè)計(jì)要求，相關(guān)研究?jī)?nèi)容將在第5節(jié)中進(jìn)行介紹。

     以上述工況為校核標(biāo)準(zhǔn)，首先對(duì)原版設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了基線(xiàn)分析。將50kg的平均負(fù)載以集中質(zhì)量形式添加至模型中并完在A(yíng)ltair HyperMesh中完成了有限元建模工作。如圖2.5及圖2.6所示，為安裝架在Z -3G工況作用下的總體變形云圖和Von Mises應(yīng)力云圖。其最大變形量為1.122mm（保留三位有效數(shù)字，以下同），最大變形出現(xiàn)位置位于集中質(zhì)量安置點(diǎn)處；最高應(yīng)力水平為127.562MPa，位于安裝架轉(zhuǎn)角處。

                                    

圖2.5 原始安裝架總體變形云圖-Z -3G工況

圖2.6 原始安裝架Von Mises應(yīng)力云圖-Z -3G工況

        顯然，由于筆者的設(shè)計(jì)水平有限，因此原始設(shè)計(jì)方案具有較高的靜態(tài)變形量及很高的應(yīng)力水平。大量材料堆積于結(jié)構(gòu)頂部用于構(gòu)建“INSPIRE 2020”形態(tài)銘文，而參與集中質(zhì)量吊裝的材料總量?jī)H占總體材料的一小部分。

       傳統(tǒng)的迭代式設(shè)計(jì)方法以方案改型的形式進(jìn)行效能提升，對(duì)于一個(gè)糟糕的初始設(shè)計(jì)方案，很難通過(guò)簡(jiǎn)單的小修小補(bǔ)完成產(chǎn)品性能的大幅提升。因此，需要考慮引入仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)思想，對(duì)原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行顛覆性的設(shè)計(jì)創(chuàng)建。

3.基于Inspire的第一輪概念設(shè)計(jì)：傳力路徑提取

       在Inspire平臺(tái)中，在保證未來(lái)生成的傳力路徑模型與外部幾何形態(tài)不發(fā)生干涉的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的總體設(shè)計(jì)空間如圖3.1所示。可以看到，該設(shè)計(jì)空間模型中保留了原有安裝架的對(duì)外接口（4*M10螺栓孔），以及用于吊裝負(fù)載的底部平臺(tái)及安裝接口。

                                                                   圖3.1 設(shè)計(jì)空間

與傳力路徑提取相關(guān)的一些其他參數(shù)包括：目標(biāo)函數(shù)為模型質(zhì)量最輕；設(shè)計(jì)約束條件為安全系數(shù)約束；模型平均單元尺寸4mm，添加了大小為20mm的最小團(tuán)塊尺寸約束和大小為60mm的最大團(tuán)塊尺寸約束，以滿(mǎn)足未來(lái)鑄造的工藝要求；在模型中添加了沿全局坐標(biāo)系Z軸方向的雙向脫模約束，以及平行于Y-Z平面的模型對(duì)稱(chēng)要求。

在此基礎(chǔ)上提取的傳力路徑模型如圖3.2所示：

                                                          圖3.2 傳力路徑模型

針對(duì)傳力路徑模型的粗校核結(jié)果顯示該模型具有良好的強(qiáng)度性能潛力。如圖3.3所示，以Z -3G工況為例，該工況作用下，傳力路徑模型最大Von Mises應(yīng)力水平約為32.370MPa。

                            圖3.3 傳力路徑模型（C1模型）粗校核結(jié)果-Von Mises應(yīng)力-Z -3G工況

表3.1給出了計(jì)算結(jié)果匯總。

表3.1 傳力路徑模型（C1模型）校核結(jié)果匯總

工況編號(hào)及名稱(chēng)	最大變形量（mm）	最高應(yīng)力水平（MPa）
1.Z -3G	\	32.370
2.X +3G	\	37.270
3.Y +1G	\	37.150
4.Y -1G	\	37.150

4.基于PolyNURBS構(gòu)型技術(shù)的第二輪概念設(shè)計(jì)模型構(gòu)建及校核

在上一節(jié)的研究中，提取的傳力路徑模型（C1模型）已經(jīng)體現(xiàn)了良好的剛度/強(qiáng)度性能潛力。但該模型是由若干四面體單元通過(guò)逼近與堆疊形成的近似構(gòu)型，因此還需要對(duì)其做進(jìn)一步的表面光順化和再造型處理，以使其具有一定的工藝可行性。SolidThinking Inspire提供了基于PolyNURBS的快速構(gòu)型技術(shù)，幫助用戶(hù)基于傳力路徑模型快速生成光順化處理后的幾何構(gòu)型，并以STEP或Parasolid等標(biāo)準(zhǔn)中間格式進(jìn)行輸出。

如圖4.1所示，為正在進(jìn)行光順化及再造型處理的PolyNURBS模型。

                                            圖4.3 C2模型強(qiáng)度校核有限元模型-OptiStruct版本

        校核工況與原始版本安裝架相同，按照EN12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)，分別為沿全局坐標(biāo)系Z軸負(fù)方向，大小為3g的慣性載荷；沿全局坐標(biāo)系X軸方向，大小為3g的慣性載荷；以及沿全局坐標(biāo)系Y軸正負(fù)方向，大小均為1g的慣性載荷。如圖4.4及圖4.5所示，以Z -3G工況為例，給出了位移云圖及Von Mises應(yīng)力云圖。

                                           圖4.4 安裝架總體變形云圖-C2模型-Z -3G工況

                                          圖4.5 安裝架總體Von Mises應(yīng)力云圖-C2O型-Z -3G工況

表4.1對(duì)C2模型的校核結(jié)果進(jìn)行了匯總。C2模型的質(zhì)量為3.156kg。

表4.1 第二輪概念設(shè)計(jì)模型（C2模型）計(jì)算結(jié)果匯總

工況編號(hào)及名稱(chēng)	最大變形量（mm）	最高應(yīng)力水平（MPa）
1.Z -3G	0.027	23.419
2.X +3G	0.030	26.131
3.Y +1G	0.067	28.718
4.Y -1G	0.067	28.718

5.自由形狀優(yōu)化方法在安裝架第三輪概念設(shè)計(jì)（C3階段）中的應(yīng)用

C2階段生成的第二輪概念設(shè)計(jì)模型已具備了優(yōu)異的剛強(qiáng)度性能，已充分滿(mǎn)足了EN12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)零件靜強(qiáng)度工況校核的要求；除靜強(qiáng)度工況外，歐標(biāo)中對(duì)零件的另一類(lèi)主要的技術(shù)要求為零件疲勞性能考核。以車(chē)下設(shè)備安裝架為例，其校核疲勞工況為：

1）垂向載荷，即全局坐標(biāo)系Z軸負(fù)向，大小為1+ 0.15g；

2）橫向載荷，即全局坐標(biāo)系X軸正負(fù)向，大小為± 0.15g；

3）縱向載荷，即全局坐標(biāo)系Y軸正負(fù)向，大小為± 0.15g。

上節(jié)獲取的C2階段模型可以輕松滿(mǎn)足各組疲勞工況的要求；但將該設(shè)計(jì)方法推廣至其他零件時(shí)，若獲取的C2階段設(shè)計(jì)模型，其局部有明顯的表面應(yīng)力集中導(dǎo)致潛在的疲勞失效，那么則需要引入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段工具，進(jìn)一步微調(diào)零件幾何外形，在滿(mǎn)足加工工藝要求的前提下降低局部應(yīng)力水平，以滿(mǎn)足疲勞工況的挑戰(zhàn)。

OptiStruct提供了強(qiáng)有力的工具應(yīng)對(duì)疲勞優(yōu)化問(wèn)題。形狀優(yōu)化（Shape Optimization）基于用戶(hù)定義的變形預(yù)案，可直接針對(duì)疲勞性能進(jìn)行優(yōu)化；自由形狀優(yōu)化（Free Shape Optimization）通過(guò)擾動(dòng)節(jié)點(diǎn)組空間位形的方式，特別適用于解決零件局部應(yīng)力集中問(wèn)題，從而間接提高零件的疲勞性能，且適宜于與鑄造工藝進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

將C2模型輸入HyperMesh，并根據(jù)自由形狀優(yōu)化的設(shè)計(jì)要求，選擇如圖5.1所示的節(jié)點(diǎn)組為待擾動(dòng)節(jié)點(diǎn)組，并設(shè)置擾動(dòng)方式為同時(shí)支持生長(zhǎng)與內(nèi)縮。設(shè)置擾動(dòng)因子（mvfactor）為0.5，設(shè)置平滑層數(shù)（nsmooth）為10。自由形狀優(yōu)化支持種類(lèi)繁多的加工工藝約束，在本算例中，設(shè)置了節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)形式關(guān)于單平面對(duì)稱(chēng)的約束條件。

                                                   圖5.1 自由形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)變量：待擾動(dòng)節(jié)點(diǎn)組位置

另外如果需要精確提取結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力結(jié)果，則必需對(duì)零件表面做包殼處理。本算例僅作為流程演示，因此省略了該工序。

如圖5.2所示，未經(jīng)優(yōu)化前，此前進(jìn)行的仿真結(jié)果顯示，極端嚴(yán)苛工況為 Y +1g工況及Y -1g工況。以Y +1g工況為例，在該工況作用下，局部最高應(yīng)力水平約為28.718MPa，在四支架與螺栓連接處均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中。

                                 圖5.2 安裝架總體Von Mises應(yīng)力云圖-C2模型-Y 1G工況

       優(yōu)化迭代經(jīng)三步達(dá)到收斂。如圖5.3所示，經(jīng)優(yōu)化后，C3模型，結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)最大Von Mises應(yīng)力水平由28.718MPa降低到24.191MPa，下降了約15.77%。

                                圖5.3 安裝架總體Von Mises應(yīng)力云圖-C3模型-Y 1G工況

經(jīng)優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量由C2模型的3.156kg，輕微增加0.142kg，至3.298kg。

C3模型的剛度及強(qiáng)度特性校核結(jié)果如表5.1所示。可以看到輕微的材料質(zhì)量增加帶來(lái)了各組工況下明顯的應(yīng)力水平降低。

表5.1 C3模型剛度及強(qiáng)度特性校核結(jié)果

工況編號(hào)及名稱(chēng)	最大變形量（mm）	最高應(yīng)力水平（MPa）
1.Z -3G	0.027	23.261
2.X +3G	0.029	24.987
3.Y +1G	0.065	24.191
4.Y -1G	0.065	24.191

在HyperView中，可以通過(guò)Design History查看具體的節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)情況。如圖5.4和圖5.5所示，分別為節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)量云圖及節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)量矢量圖。在后處理中可以將擾動(dòng)后的節(jié)點(diǎn)構(gòu)型進(jìn)行輸出，并作為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)改型的基礎(chǔ)。

                                                              圖5.4 節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)云圖

                                                             

                                                             圖5.5 節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)矢量圖

6.總結(jié)

如圖6.1所示，至此經(jīng)過(guò)三輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，在EN12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)框架內(nèi)，完成了基于靜強(qiáng)度工況指標(biāo)校核的支架輕量化設(shè)計(jì)。

 

                                                      圖6.1 安裝架輕量化設(shè)計(jì)流程

    表6.1給出了原始版本模型及經(jīng)3輪優(yōu)化后的C3模型的剛度及強(qiáng)度性能對(duì)比。

表6.1 優(yōu)化前后性能對(duì)照

優(yōu)化后安裝架性能	質(zhì)量：3.298千克
工況編號(hào)及名稱(chēng)	最大變形量（mm）	最高應(yīng)力水平（MPa）
1.Z -3G	0.027	23.261
2.X +3G	0.029	24.987
3.Y +1G	0.065	24.191
4.Y -1G	0.065	24.191
優(yōu)化前安裝架性能	質(zhì)量：7.408千克
工況編號(hào)及名稱(chēng)	最大變形量（mm）	最高應(yīng)力水平（MPa）
1. Z -3G	1.122	127.562
2. X +3G	0.531	111.396
3. Y +1G	0.659	83.210
4. Y -1G	0.659	83.210

 

本報(bào)告的研究初步完成了零件的輕量化設(shè)計(jì)，后續(xù)還需開(kāi)展但并未包含在本報(bào)告中的工作內(nèi)容包括：

1. 將C3階段的中立格式幾何模型，在CAD軟件中重制圖為參數(shù)化幾何模型，作為定型設(shè)計(jì)方案；

2. 對(duì)定型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行強(qiáng)度校核；

3. 對(duì)定型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行疲勞校核；

4. 模型歸檔。