基于Optistruct的地鐵車頂骨架有限元強度分析及優化

費聿坤　韓震　李龍

摘要：文章為對我國某新型地鐵車頂骨架結構進行優化，分析了其的結構靜強度，然后依據各工況的應力分布情況找出應力存在的位置，同時講解了產生其的原因，然后利用到Optistruct提出幾種優化方案，望可以為有關人員提供到一定的參考和幫助。

關鍵詞：Optistruct;地鐵;優化

當前我國軌道事業的發展和人們生活水平的不斷提升提升，便捷高校的地鐵受到了許多城市的青睞，車頂骨架是車輛內裝中重要的組成部分，其在支撐車頂封到方面有著十分重要的作用，為此文章主要是對某公司開發的新型地鐵的車頂骨架結構展開了研究和探討。

1.車頂骨架幾何模型的建立

作為車輛內裝的重要組成部分，車頂骨架主要包含三個主結構，由上到下依次為風道結構、中頂板結構以及扶手結構。車頂骨架結構采用模塊化設計，便于最后整車模塊化拼裝。每個骨架模塊中，風道結構由3根支撐梁承載。支撐梁的兩端通過吊座用螺栓連接于車頂鋁合金型材的滑槽中。中頂板結構的兩邊預置了兩根安裝的邊梁。邊梁通過螺栓與風道下部的頂板邊梁連接。同時中頂結構兩邊與邊頂板搭接。邊頂板直接固定在側墻。扶手上端安裝在支撐梁凹槽中，下端與浮置地板相連。由上到下依次為風道和吊座結構，支撐梁結構，中頂板結構和扶手結構。

2.車頂骨架有限元模型的建立

由于該地鐵車頂骨架結構是由板、梁組成的復雜三維空間結構，各個組件的厚度都比較薄，而且與長度相差太大，理論上各構件都可看作是薄壁板殼結構，因而可以全部采用板殼單元建立計算模型。將三維模型導入Hypermesh軟件中，對實體幾何進行抽中面，并根據實際情況針對各個中面進行連接，采用Altair公司的Hypermesh劃分網格，網格劃分前對各結構件進行模塊分組，為提高整個網格劃分的速度和保證網格的質量，縮短計算時間，需對該車頂骨架幾何模型進行清理，去除對分析結果影響較小的倒圓以及小孔等幾何區域。在本次有限元模型建模中，針對螺栓連接進行一定的簡化。螺栓連接的兩個部件，根據螺母或者墊片大小在連接處生成相應網格區域，并通過剛性單元將該區域的從節點與其中心處的主節點連接，用與螺栓相同截面的梁單元連接兩個剛性單元的主節點，模擬螺栓連接處的實際受力情況。

3.車頂骨架強度分析

根據模型的實際安裝位置，約束三個部位，分別是風道吊座連接的車頂型材的滑槽、邊頂板與車體型材連接的部位、立柱扶手下底座位置。其中扶手水平載荷和垂直載荷作用位置相同，將橫扶手5等分后，在四個等分點上施加節點力。按照正常人握立柱扶手的位置，斜向下45°載荷施加位置。本次分析的靜強度計算載荷主要為三種：扶手水平載荷、扶手垂直載荷、扶手斜向下45°載荷。其中扶手水平載荷和垂直載荷作用位置相同，將橫扶手5等分后，在四個等分點上施加節點力。按照正常人握立柱扶手的位置，斜向下45°載荷施加位置為：取立柱扶手離地1.4m到三通座之間進行6等分，取5個等分點進行加載。分析中載荷是單點加力，在加載點容易造成應力集中。根據圣維南定理，遠離加載點位置的應力結果是準確可信的。而在加載點位置的受力情況比實際手握要惡劣，故結果相對保守，安全系數高。

4.車頂骨架支撐梁形狀優化

對列車車體形狀進行優化主要是為了達到兩個目的：其一，是減輕車身質量從而實現其輕量化;其二，是實現車體各處應力能夠有效合理的分布從而避免因為局部應力集中而破壞了整體結構。本次優化分析也是為了到達這兩個目的。

4.1車體骨架支撐梁優化的數學模型優化設計包含三大要素：設計變量、目標函數和約束條件。在車體承載結構的優化設計中，首先要確定上訴三要素，以便建立優化設計的數學模型。

4.2目標函數的選擇

在OptiStruct軟件中，尺寸優化、形狀優化以及拓撲優化的主要區別在于設計變量，本次的最終目標是實現該地鐵車頂骨架撓度最小化，即f（x）→min。

4.3設計變量選擇

對于本次優化的車頂承載結構，優化的目的是為了減小變形量，約束條件是結構的應力。因此，選取設計變量是其中最為重要的環節。將對應力，重量和位移影響較大的參數優先考慮將大大減小優化過程的困難程度?？紤]到成本因素，車頂的結構形式和選用的材料已定，不能作為設計變量。優化設計變量的確定實質上就是優化對象結構的參數化。本次優化的車頂是由梁殼組合，但由于梁的厚度比較小，作為板殼來進行分析能達到更好的效果，所以將板厚作為設計變量的基本參數。根據第三部分的車體靜強度分析，可以發現，在三個工況下，車頂的局部區域產生了較大的應力值。因此打算通過優化影響車體承載能力的重要梁柱截面梁柱截面尺寸而達到目標是可行的。根據以上原則，故選取車頂骨架支撐梁為優化對象。本次優化對象為不含扶手的車頂骨架支撐梁，初始結構中風道結構由3根支撐梁承載，。本次優化以材料屈服應力為約束，以位移最小為優化目標?；贠p-tiStruct軟件，我們設計了如下6種優化方案，分別研究支撐梁不同尺寸下，對車體整體結構強度影響，從而達到最合適的設計方案。

4.4約束條件

本文中根據《鐵道車輛強度設計及試驗規范》關于強度評價的標準：車頂計算等效應力應低于材料的許用應力。從上述分析結果中可以看出支撐梁在各工況下整體應力都較小，綜合考慮各方面的因素，選擇材料的屈服強度作為約束條件，即車頂骨架支撐梁各工況最大應力不超過材料Al的屈服極限125MPa。

5.結束語

由上可知，在進行優化后車頂骨架結構總體應力分布較為合理，且在受力較大的支撐量螺栓連接部位的應力明顯降低，有著更高的可靠性。有限元的車頂骨架結構優化方案能夠有效減少加工的難度，降低投入的成本，同時提升了施工的質量。

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