圖 2.1 白車身開發C1階段：構建設計空間&定義載荷路徑

                                                圖2.2 白車身開發C2階段：板桿梁低保真模型

                                               圖2.3 白車身開發C3階段：精細化有限元模型

       事實上在零部件級別的輕量化設計研究中，同樣可以采用類似C123設計方法的正向研發體系，幫助設計人員快速完成兼具輕量化特性及優異剛強度性能的概念模型的搭建。本文的第3、4、5節，即按照類C123設計方法，分別完成了設備安裝架的三輪概念設計。其中，第3節，對經設計空間提取的傳力路徑模型進行了第一輪粗校核；第4節中，對通過粗校核的傳力路徑模型，基于PolyNURBS技術進行了幾何重構，對重構后的概念設計模型進行了第二輪校核；第5節中，則針對零件部分區域存在的表面應力集中問題，通過自由形狀優化技術進行了局部詳細設計階段的優化設計。

2.2 關于BS EN 12663-1:2010標準

     BS EN 12663-1:2010標準，英文全稱為Railway applications-Structuralre quirements of railway vehicle bodies EN 12663-1:2010，即鐵路設施.鐵路車輛車身的結構要求（2010修訂版），由歐洲標準學會（EN）發布，為歐洲鐵道行業強制執行的國際標準，并廣泛為國內的鐵道車輛主機廠采用。該標準第一部分為機車和鐵路客運車輛及鐵路貨運車輛的選用方法，對車體內外各部類及零件的設計及校核方法進行了明確的規定。

如圖2.4 所示，為筆者為本次參賽，自行設計的車下設備安裝架及其總體布局。四組安裝架以對置形式將負載懸吊于于車體下方；各安裝架通過兩組共四枚M10螺栓與車體連接；支架整體截面形態為L型掛鉤結構，并在其上表面鑄有INSPRE 2020銘文；單個安裝架的平均負載為50kg。

                                                        圖2.4 安裝架幾何形態及位置

      EN 12663-1:2010規定車外設備安裝架結構的校核載荷為靜強度載荷和疲勞載荷兩種。以P-III類型，即地鐵、輕軌和快軌車型為例，靜強度載荷工況為：

      1）垂向載荷：大小為（1+C）倍重力加速度，方向為建模坐標系Z軸負向。其中C的取值范圍為0.0至2.0，視安裝架距車體端部距離而改變。在本文算例中取極端工況，即C=2.0進行校核；

      2）橫向載荷：大小為1倍重力加速度，方向為建模坐標系Y軸正負向；

      3）縱向載荷：大小為3倍重力加速度，方向為建模坐標系X軸正負向。本文算例中考慮結構為鏡像對稱形態，因此僅需對X軸正向的工況進行校核。

      以上三組校核工況通過條件為材料應力水平應位于材料屈服極限內。

     此外歐標中還有針對疲勞工況的設計要求，相關研究內容將在第5節中進行介紹。

     以上述工況為校核標準，首先對原版設計方案進行了基線分析。將50kg的平均負載以集中質量形式添加至模型中并完在Altair 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應力云圖。其最大變形量為1.122mm（保留三位有效數字，以下同），最大變形出現位置位于集中質量安置點處；最高應力水平為127.562MPa，位于安裝架轉角處。

                                    

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應力云圖-Z -3G工況

        顯然，由于筆者的設計水平有限，因此原始設計方案具有較高的靜態變形量及很高的應力水平。大量材料堆積于結構頂部用于構建“INSPIRE 2020”形態銘文，而參與集中質量吊裝的材料總量僅占總體材料的一小部分。

       傳統的迭代式設計方法以方案改型的形式進行效能提升，對于一個糟糕的初始設計方案，很難通過簡單的小修小補完成產品性能的大幅提升。因此，需要考慮引入仿真驅動設計的開發思想，對原始設計方案進行顛覆性的設計創建。

3.基于Inspire的第一輪概念設計：傳力路徑提取

       在Inspire平臺中，在保證未來生成的傳力路徑模型與外部幾何形態不發生干涉的基礎上，構建的總體設計空間如圖3.1所示。可以看到，該設計空間模型中保留了原有安裝架的對外接口（4*M10螺栓孔），以及用于吊裝負載的底部平臺及安裝接口。

                                                                   圖3.1 設計空間

與傳力路徑提取相關的一些其他參數包括：目標函數為模型質量最輕；設計約束條件為安全系數約束；模型平均單元尺寸4mm，添加了大小為20mm的最小團塊尺寸約束和大小為60mm的最大團塊尺寸約束，以滿足未來鑄造的工藝要求；在模型中添加了沿全局坐標系Z軸方向的雙向脫模約束，以及平行于Y-Z平面的模型對稱要求。

在此基礎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

針對傳力路徑模型的粗校核結果顯示該模型具有良好的強度性能潛力。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應力水平約為32.370MPa。

                            圖3.3 傳力路徑模型（C1模型）粗校核結果-Von Mises應力-Z -3G工況

表3.1給出了計算結果匯總。

表3.1 傳力路徑模型（C1模型）校核結果匯總

工況編號及名稱	最大變形量（mm）	最高應力水平（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構型技術的第二輪概念設計模型構建及校核

在上一節的研究中，提取的傳力路徑模型（C1模型）已經體現了良好的剛度/強度性能潛力。但該模型是由若干四面體單元通過逼近與堆疊形成的近似構型，因此還需要對其做進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的快速構型技術，幫助用戶基于傳力路徑模型快速生成光順化處理后的幾何構型，并以STEP或Parasolid等標準中間格式進行輸出。

如圖4.1所示，為正在進行光順化及再造型處理的PolyNURBS模型。

                                            圖4.3 C2模型強度校核有限元模型-OptiStruct版本

        校核工況與原始版本安裝架相同，按照EN12663-1:2010標準，分別為沿全局坐標系Z軸負方向，大小為3g的慣性載荷；沿全局坐標系X軸方向，大小為3g的慣性載荷；以及沿全局坐標系Y軸正負方向，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應力云圖-C2O型-Z -3G工況

表4.1對C2模型的校核結果進行了匯總。C2模型的質量為3.156kg。

表4.1 第二輪概念設計模型（C2模型）計算結果匯總

工況編號及名稱	最大變形量（mm）	最高應力水平（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.自由形狀優化方法在安裝架第三輪概念設計（C3階段）中的應用

C2階段生成的第二輪概念設計模型已具備了優異的剛強度性能，已充分滿足了EN12663-1:2010標準中對零件靜強度工況校核的要求；除靜強度工況外，歐標中對零件的另一類主要的技術要求為零件疲勞性能考核。以車下設備安裝架為例，其校核疲勞工況為：

1）垂向載荷，即全局坐標系Z軸負向，大小為1+ 0.15g；

2）橫向載荷，即全局坐標系X軸正負向，大小為± 0.15g；

3）縱向載荷，即全局坐標系Y軸正負向，大小為± 0.15g。

上節獲取的C2階段模型可以輕松滿足各組疲勞工況的要求；但將該設計方法推廣至其他零件時，若獲取的C2階段設計模型，其局部有明顯的表面應力集中導致潛在的疲勞失效，那么則需要引入詳細設計階段工具，進一步微調零件幾何外形，在滿足加工工藝要求的前提下降低局部應力水平，以滿足疲勞工況的挑戰。

OptiStruct提供了強有力的工具應對疲勞優化問題。形狀優化（Shape Optimization）基于用戶定義的變形預案，可直接針對疲勞性能進行優化；自由形狀優化（Free Shape Optimization）通過擾動節點組空間位形的方式，特別適用于解決零件局部應力集中問題，從而間接提高零件的疲勞性能，且適宜于與鑄造工藝進行聯動。

將C2模型輸入HyperMesh，并根據自由形狀優化的設計要求，選擇如圖5.1所示的節點組為待擾動節點組，并設置擾動方式為同時支持生長與內縮。設置擾動因子（mvfactor）為0.5，設置平滑層數（nsmooth）為10。自由形狀優化支持種類繁多的加工工藝約束，在本算例中，設置了節點擾動形式關于單平面對稱的約束條件。

                                                   圖5.1 自由形狀優化設計變量：待擾動節點組位置

另外如果需要精確提取結構表面應力結果，則必需對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，未經優化前，此前進行的仿真結果顯示，極端嚴苛工況為 Y +1g工況及Y -1g工況。以Y +1g工況為例，在該工況作用下，局部最高應力水平約為28.718MPa，在四支架與螺栓連接處均出現了不同程度的應力集中。

                                 圖5.2 安裝架總體Von Mises應力云圖-C2模型-Y 1G工況

       優化迭代經三步達到收斂。如圖5.3所示，經優化后，C3模型，結構高應力區最大Von Mises應力水平由28.718MPa降低到24.191MPa，下降了約15.77%。

                                圖5.3 安裝架總體Von Mises應力云圖-C3模型-Y 1G工況

經優化后，結構總體質量由C2模型的3.156kg，輕微增加0.142kg，至3.298kg。

C3模型的剛度及強度特性校核結果如表5.1所示。可以看到輕微的材料質量增加帶來了各組工況下明顯的應力水平降低。

表5.1 C3模型剛度及強度特性校核結果

工況編號及名稱	最大變形量（mm）	最高應力水平（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Design History查看具體的節點擾動情況。如圖5.4和圖5.5所示，分別為節點擾動量云圖及節點擾動量矢量圖。在后處理中可以將擾動后的節點構型進行輸出，并作為后續詳細設計改型的基礎。

                                                              圖5.4 節點擾動云圖

                                                             

                                                             圖5.5 節點擾動矢量圖

6.總結

如圖6.1所示，至此經過三輪優化設計，在EN12663-1:2010標準框架內，完成了基于靜強度工況指標校核的支架輕量化設計。

 

                                                      圖6.1 安裝架輕量化設計流程

    表6.1給出了原始版本模型及經3輪優化后的C3模型的剛度及強度性能對比。

表6.1 優化前后性能對照

優化后安裝架性能	質量：3.298千克
工況編號及名稱	最大變形量（mm）	最高應力水平（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
優化前安裝架性能	質量：7.408千克
工況編號及名稱	最大變形量（mm）	最高應力水平（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

 

本報告的研究初步完成了零件的輕量化設計，后續還需開展但并未包含在本報告中的工作內容包括：

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化幾何模型，作為定型設計方案；

2. 對定型設計方案進行強度校核；

3. 對定型設計方案進行疲勞校核；

4. 模型歸檔。