自由形状优化技术在某不锈钢地铁车体设计中的应用

张寅河　李新康　赵思聪

摘 要：不锈钢车体已成为目前地铁车辆轻量化发展的方向之一。在不锈钢车体结构中常用的奥氏体不锈钢及高耐候钢都具有易加工成形的特点，非常适合应用自由形状优化技术完成结构优化设计。

关键词：不锈钢地铁车体;自由形状优化技术;Optistruct优化软件

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.11.101

1 前言

不锈钢地铁车体因具有制造维修成本低、防腐蚀性能高、使用寿命长和环保性能好等优点，已成为目前地铁车辆轻量化发展的方向之一。结构优化是指通过结构分析，在给定的设计空间实现满足使用要求，且具有最佳性能或最低成本的工程结构设计技术。结构优化中的自由形状优化技术能够基于选定的有限元边界节点自由变形，自动确定具有最佳性能的边界形状。不锈钢地铁车体中常用的SUS301L、SUS304奥氏体不锈钢和Q355高耐候钢都具有易加工成形的特点，非常适合将自由形状优化技术应用于不锈钢地铁车体结构优化。

2 数值算例

图1所示为不锈钢地铁车体某部位在标准规定的压缩载荷下的von Mises应力云图，由图中可知，该部位最大应力为411.1MPa，超过了Q355材料的屈服极限355MPa。下面介绍如何采用OptiStruct结构优化软件对此部位进行自由形状优化。

2.1 创建自由形状设计变量

在OptiStruct结构优化软件中，通过free shape控制面板创建自由形状设计变量shape，并定义自由变形的节点，如图2所示。通过parameters子面板选择grow作为direction，设置mvfactor=0.5，nsmooth=10，如图3所示。

2.2 定义优化响应

在结构优化中，OptiStruct可以使用有限元分析中的多种结构响应或者这些响应的组合来定义目标函数和约束函数。如图4所示，通过response面板定义应力响应Stress和质量响应Mass，其中，应力响应Stress中关联自由变形节点附近的单元，质量响应Mass中关联自由变形节点所在部位的属性。

2.3 定义优化约束

如图5所示，通过dconstrains面板定义优化约束stress_con，选定约束目标为最大应力不超过355MPa，并关联响应Stress。

2.4 定义目标函数

如图6所示，通过objective面板定义优化目标函数，优化目标为响应Mass最小化。

2.5 利用OptiStruct求解并查看优化结果

在OptiStruct中提交优化计算，并采用HyperView查看优化结果。如图7所示，经过自由形状优化，该部位处最大应力下降至335.1MPa，满足强度要求。其中，原有设计轮廓如黑虚线所示。

3 结论

本文介绍了自由形状优化技术在某不锈钢地铁车体设计中的应用。利用OptiStruct优化软件，定义了自由形状优化问题的优化变量、约束条件和目标函数，最终解决了局部应力超过屈服极限的问题。

参考文献

[1]黄志宏，許彦强.不锈钢车体结构设计及仿真分析要点[J].铁道车辆，2012，（6）： 14-17.

[2]洪清泉，赵康，张攀.OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2012：9-12.