結構優化設計及仿真在鐵路客車中的應用研究

呂昊

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

隨著我國軌道車輛裝備制造業的快速發展，軌道交通產業需求不斷增加，軌道交通產業已成為我國經濟發展重要組成部分。生活水平質量的提升使人們對軌道交通提出了更高的要求，不僅要保障人們出行安全，同時也要滿足人們對功能化、智能化的需求。若想滿足人們這些方向的需求，就必須通過先進的設計制造體系，不斷地改進數字化工業設計施工，進而滿足人們對軌道交通的多樣化需求。

1 結構優化設計及模擬仿真

1.1 結構優化設計

（1）結構化設計的創建。鐵路客車結構優化設計的前提和基本條件是構建結構化設計，其主要作用就是可以隨時對鐵路客車的各部件結構之間的裝配關系進行適時查看，更可以對鐵路客車整體的裝配優缺點、動態等進行有效的掌握，進而有效地優化整體鐵路客車的設計。

當前，三維結構設計技術在結構優化設計中得以廣泛的應用。建立結構主要是按照相同類型的鐵路客車和使用典型車輛為平臺創建，然后再依據實際的狀況完善系統建立存在的不足。結構建立要依據鐵路客車的要求，針對零部件的特征、安裝點以及特點進行建立。

（2）零部件的設計。完成結構化設計后，就要設計鐵路客車的零部件，零部件的設計和鐵路客車的整體緊密地聯系在一起。

（3）三維結構設計。設計中的重要內容主要是三維結構設計，在以后一定可以成為設計的發展形勢。運用PROETOOLKIT得以二次開發可以構建結構設計文件類型、結構設計任務書以及結構對象，進一步完成CROE三維結構的設計。

（4）EBOM表的輸出。零件明細系統的輸出功能可以使得工藝裝配人員完整地把結構設計人員的每項設計數據準確的提取出，并且通過EBOM表展現出來。

1.2 模擬仿真

在完成EBOM設計任務后，考核設計能否科學、完善成為了設計內容真實滿足實際生產需求的重要內容。借鑒之前的經驗，以前的CAD圖紙已經不能滿足模擬仿真驗證，根據這種情況，選擇PDM三維數字化設計通過計算機來完成模擬的裝配仿真和驗證。以下是幾個步驟：首先，先構建模擬的裝配場景，要借鑒之前裝配經驗構建模擬裝配場景，模擬裝配場景可以體現出實際的裝配問題；其次是構建所有鐵路客車的行為模型以及資源之間相關聯，要想得到資料庫分類構造中需要進行仿真工序有關的結構、工具等，對全部需要利用到的資源進行行為建模；最后，實現模擬裝配，三維數字化模型是模擬裝配仿真所使用的技術，要先將數據進行優先重組，然后依據資源庫中的真實零部件的裝配流程、技術參數，充分地按照裝配的設備結構、臺位和班組等加以模擬仿真。在設計的過程中不僅要各個組件裝配性符合規定，還要保證裝配人員在裝配過程中的可執行性以及舒適感，以便于有效地檢查裝配人員在裝配過程中是否存在疲勞、不容易操作以及受到空間約束等問題。依據全部的模擬仿真結果對裝配組件的設計進行合理的優化，這樣不僅可以滿足鐵路客車真實需求以及技術的需求，而且還可以使裝配人員在裝配過程中更加方便。

2 高鐵列車中結構優化設計及仿真的應用

2.1 結構優化設計

（1）結構優化設計創建。高鐵列車結構設計工程師需要以3D模型的方式，呈現設計內容，進而設計好高鐵列車結構，從而為廣大人民群眾提供優質的服務。本次主要以PDMLINK-CREO軟件作為基礎模塊完成三維結構的設計工作內容。設計師可以從以下兩個方面開展設計活動。一方面，設計師可以根據設計經驗以及既有的模塊化平臺，自主創建優化設計結構；另一方面，設計師可以從軟件當中的PARTSOLUTIONS零件庫中選擇產品或者零件，并依據設計方案調整結構，以便做出更加人性化的高鐵列車結構。圖1為PDM車體模型結構優化設計圖。

圖1 PDM車體模型結構優化設計

（2）零件設計。高鐵列車師在設計完車輛總體的結構后，就需要做好結構的細化工作。比如，設計師需要以全面的角度設計結構中所使用的零件，以便確保結構的完整性。與此同時，設計師需要在軟件中三位模型及圖紙等以平面或者立體的方式呈現出來，以便做好進一步的優化設計工作。

（3）三維結構設計。結構設計是整個工作的重點。隨著結構設計的快速發展，結構設計勢必將成為三維設計發展的潮流。因此，設計師要深入學習結構設計相關知識。如今，三維結構設計愈加受到人們的關注。三維結構設計具體設計內容如下。第一，在PDM中創建總體結構類型、部件對象；第二，在PDM中優化設計內容；第三，保存模型；第四，電子簽審設計內容；第五，各部門分類管理。

（4）明細表EBOM輸出。設計師在做完整個設計結構以后要把設計工作內容生成明細報表，進而引導生產制造部門加工零件，從而提高生產制造效率。

2.2 仿真分析

（1）構建虛擬仿真分析場景。依照現車裝配要求，模擬車間工作環境，進而優化裝配設計，從而更好地開展真實的工作。

（2）資源關聯及行為建模。整理PDM資源庫內容和仿真工序，并為其進行行為有限元網格建模。

（3）虛擬裝配實現。第一，在PDMLINK-CREO中創建3D模型；第二，運用有限元分析軟件重構數據實現虛擬仿真分析設計；第三，進行部件干涉檢查工作；第四，測試各部位零件之間的配套性，如圖2所示。

3 結語

圖2 優化結構設計及仿真分析

本文通過對鐵路客車中結構優化設計及仿真的理論應用進行闡述，以高鐵列車為例，運用PDMLINK-CREO 軟件進行結構優化設計與有限元仿真。結構優化設計在鐵路客車設計中具有很大的優勢，不僅可以縮短設計周期，提升設計效率。仿真分析則是對結構優化設計的驗證，檢驗設計是否可以滿足實際需求，通過檢驗結果對設計中的不足進行優化和改進，進而推動了結構優化設計在軌道交通的大批量工業化生產應用，拓展應用市場，促進軌道車輛產業鏈的完善和發展。