[發明專利]一種高速列車外風擋結構的優化方法及外風擋結構

在審

• 申請號: 202010832359.0
• 申請日: 2020-08-18
• 公開（公告）號: CN111985052A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 熊小慧;梁習鋒;劉堂紅;余以正;鐘睦;唐明贊;朱亮
• 申請（專利權）人: 中南大學;中車長春軌道客車股份有限公司
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F119/02;G06F119/10
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 周孝湖

1.一種高速列車外風擋結構的優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

根據原有外風擋結構斷面的幾何外形尺寸，定義外風擋結構的設計空間，所述設計空間包括非設計區域和設計區域，所述非設計區域為從所述原有外風擋結構的斷面外輪廓向內一定厚度的區域，所述設計區域為所述原有外風擋結構的斷面非設計區域以內的區域；

對所述設計區域進行拓撲優化設計，得到拓撲優化設計結果；拓撲優化設計的目標包括提高原有外風擋結構的橫向剛度、提高原有外風擋結構的一階彎曲固有頻率、減輕原有外風擋結構的質量以及保證原有外風擋結構斷面的幾何外輪廓不改變；

將所述拓撲優化設計結果進行幾何重構及修改，得到拓撲優化的外風擋結構斷面；

將所述拓撲優化的外風擋結構斷面與原有外風擋結構斷面進行比較驗證，若所述拓撲優化的外風擋結構斷面滿足輕量化設計要求，則完成所述外風擋結構的優化；若所述拓撲優化的外風擋結構斷面不滿足輕量化設計要求，則返回幾何重構及修改步驟進行迭代設計和比較驗證。

2.根據權利要求1所述的高速列車外風擋結構的優化方法，其特征在于，所述原有外風擋結構斷面包括原有外風擋側壁和原有外風擋圓弧段，所述原有外風擋圓弧段的厚度小于所述原有外風擋側壁的厚度，所述非設計區域的厚度與所述原有外風擋圓弧段的厚度接近。

3.根據權利要求1所述的高速列車外風擋結構的優化方法，其特征在于，對所述設計區域進行拓撲優化設計，具體包括以下步驟：

在原有外風擋結構應用時的約束邊界條件下，在設計區域內尋找使得外風擋結構橫向剛度最大化時的材料分布方案，建立設計模型和分析模型；

在所述設計模型和分析模型中選定優化設計區域；

對所述優化設計區域進行幾何建模并劃分網格，建立優化設計模型；

定義所述優化設計模型的優化設置，所述優化設置包括殼單元、單元屬性、材料屬性、載荷和邊界條件的有限元模型；

采用變密度法對所述優化設計模型進行優化求解，得到拓撲優化設計結果。

4.根據權利要求3所述的高速列車外風擋結構的優化方法，其特征在于，

所述設計模型為根據原有外風擋結構斷面，保留外風擋外輪廓，將外風擋結構斷面外輪廓以內面積分為設計區域和非設計區域得到的設計模型；

所述分析模型包括拓撲優化變密度法優化算法模型以及設計目標函數，所述設計目標函數的設計目標包括：在相同的氣動載荷作用下優化后外風擋結構斷面的橫向變形量小于原有外風擋結構斷面的變形量、優化后外風擋結構斷面的一階固有頻率大于原有外風擋結構斷面。

5.根據權利要求1-4中任意一項所述的高速列車外風擋結構的優化方法，其特征在于，將所述拓撲優化的外風擋結構斷面與原有外風擋結構斷面進行比較驗證，具體是指：

將拓撲優化的外風擋結構斷面與原有外風擋結構斷面的橫向剛度、一階彎曲固有頻率、外風擋質量以及外風擋結構斷面的幾何外輪廓進行比較；驗證拓撲優化的外風擋結構斷面的橫向剛度是否大于原有外風擋結構斷面，驗證拓撲優化的外風擋結構斷面的一階彎曲固有頻率是否大于原有外風擋結構斷面，驗證拓撲優化的外風擋結構斷面的質量是否小于原有外風擋結構斷面，并驗證拓撲優化的外風擋結構斷面的幾何外輪廓是否與原有外風擋結構斷面一致。

6.一種高速列車外風擋結構，其特征在于，包括第一外風擋壁(1)、第二外風擋壁(2)和外風擋圓弧段(3)，所述外風擋圓弧段(3)的兩端分別與所述第一外風擋壁(1)和所述第二外風擋壁(2)相連接形成U型外風擋輪廓，所述第一外風擋壁(1)與所述外風擋圓弧段(3)連接處內壁設有第一小加強筋(4)，所述第二外風擋壁(2)與所述外風擋圓弧段(3)連接處內壁設有第二小加強筋(5)，所述第一外風擋壁(1)的根部內壁設有第一大加強筋(6)，所述第二外風擋壁(2)的根部內壁設有第二大加強筋(7)，所述第一小加強筋(4)、所述第二小加強筋(5)、所述第一大加強筋(6)和所述第二大加強筋(7)的另一端相連接形成星型內部加強結構，所述第一小加強筋(4)和所述第二小加強筋(5)的厚度小于所述第一大加強筋(6)和所述第二大加強筋(7)的厚度。