考慮尺寸、拓撲與材料變數的客車骨架多回響最佳化設計

《考慮尺寸、拓撲與材料變數的客車骨架多回響最佳化設計》是依託吉林大學，由左文杰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：考慮尺寸、拓撲與材料變數的客車骨架多回響最佳化設計
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：左文杰
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

客車車身結構設計是實現我國由客車大國向客車強國轉型的核心支撐技術。由於梁單元易於參數化、貼近製造工藝、求解效率高，所以本項目以梁單元構成的客車骨架為研究對象，解決接頭處應力求解精度低、多變數多回響客車骨架最佳化難題。.首先，由應變花對接頭處的應力集中係數進行實驗測試，建立應力集中係數與矩形管斷面尺寸變數的回響面預測模型，用其更新名義應力，得到修正的高精度梁單元。.其次，以尺寸、拓撲、材料為設計變數，整車質量為目標函式，彎扭靜剛度、頻率動剛度、屈服應力、材料成本為約束，建立客車結構最佳化模型。採用序列SIMP插值將拓撲和材料組合最佳化問題轉化為連續變數最佳化問題。為了降低模型的複雜度與計算量，將全局與局部約束分離，原始最佳化問題解耦為2個最佳化子問題。推導回響關於設計變數的靈敏度，分別採用序列線性規劃和最優準則法求解這2個子問題。.最後，自主開發CAE最佳化平台，為客車車身設計提供一整套解決方案。

結題摘要

我國正處在由客車大國向客車強國轉型的關鍵階段，客車車身骨架設計作為核心支撐技術之一，是確保客車向安全、節能與環保方向發展的關鍵因素。本項目研究了考慮尺寸、拓撲、材料變數的客車骨架多回響最佳化設計。為了解決客車骨架接頭應力集中問題，以矩形管梁單元截面尺寸高度、寬度、厚度、外載荷為試驗因素，設計大型全因子試驗表，測試客車骨架常見3種接頭相交處的應力集中係數。並採用2階多項式回響面建立應力集中係數關於截面尺寸的顯式表達式，用其更新鐵木辛柯梁的名義應力，得到修正的高精度梁單元。為下一步將應力約束加入客車骨架的最佳化模型中奠定基礎。研究了序列SIMP（Ordered Solid Isotropic Material with Penalization）法，包括序列SIMP函式不同的懲罰方式與曲線類型對插值有效性的影響以及懲罰因子的取值範圍等。在序列SIMP法基礎上，提出了一種從多材料拓撲最佳化到截面尺寸最佳化的兩步客車骨架最佳化方法。採用梁單元搭建客車骨架有限元模型，採用序列SIMP法實現多材料拓撲最佳化，建立了多種材料的彈性模量與密度的插值關係，用密度變數代替材料變數與拓撲變數，將材料最佳化納入到拓撲最佳化的體系，從而可以使用鋁合金、鎂合金和高強鋼等多種材料，理性、高效地設計客車骨架拓撲結構。客車骨架多材料拓撲最佳化之後，對最優拓撲結構構件的截面尺寸進一步最佳化。兩步最佳化都考慮了彎扭靜剛度與模態頻率約束，相對於單一材料拓撲和尺寸最佳化，該兩步最佳化法可以獲得更輕量化、性能更好的客車骨架。採用序列線性規劃法求解以上兩步最佳化的數學模型，由於序列線性規劃是梯度型算法，需要提供靈敏度信息，所以推導了彎扭靜剛度、模態頻率等客車骨架回響關於截面尺寸以及密度變數的解析靈敏度公式。根據上述研究內容，開發了客車骨架最佳化軟體CarFrame，實現“輕量化、高剛度、多材料”的客車骨架設計。軟體使用權成果轉讓1項，在一汽集團技術中心取得了成功套用。發表SCI論文16篇、EI論文7篇，授權發明專利5項，畢業碩士生10名，在讀博士生2名，吉林省自然科學二等獎1項。