[發明專利]基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法

在審

• 申請號: 202110482981.8
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113312701A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 徐志強;胡國強;任毅斌;劉云剛;宋小雨;李秀磊;王苗苗
• 申請（專利權）人: 中鋁材料應用研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20
• 代理公司: 中國有色金屬工業專利中心 11028
• 代理人: 甄薇薇

1.一種基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)對含有門立柱的客車模型進行扭轉剛度計算；

(2)建立門立柱初始模型，門立柱初始模型的輪廓內采用實體單元完全填充；

(3)將門立柱初始模型建立拓撲優化方案得到拓撲后模型；拓撲優化方案包括第一設計變量、約束條件、第一目標響應；第一設計變量為門立柱初始模型的輪廓內所有填充區域；約束條件包括限制扭轉剛度計算時施加載荷的加載點處的相對位移，相對位移的計算公式為：func(U₁,U₂)＝U₁-U₂，其中，U₁、U₂為加載點處的垂向位移；第一目標響應為體積分數最小化；拓撲優化方案包括對設計變量進行實體模型的模式重復設置和擠壓路徑設置；

(4)將拓撲后模型解讀后的模型作為尺寸優化的初始模型，建立尺寸優化方案，得到最終優化結構模型；尺寸優化方案包括第二設計變量，約束函數、第二目標響應；第二設計變量為門立柱斷面不同位置的壁厚；約束函數為限制門立柱的最大質量以及扭轉剛度計算時施加載荷的加載點處的相對位移；第二目標響應為剛度最大化；

(5)將最終優化結構模型進行扭轉剛度計算，得到優化后的客車模型的扭轉剛度。

2.根據權利要求1所述的基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，其特征在于，步驟(1)中含有門立柱的客車模型采用殼單元進行建模；門立柱包含客車前門后立柱、客車后門前立柱、客車后門后立柱，門立柱為鋁合金型材。

3.根據權利要求2所述的基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，其特征在于，步驟(1)中扭轉剛度計算采用的邊界條件為在與客車底架兩個后輪前后板簧耦合的中心點位置約束X、Y、Z向平動自由度，扭轉剛度計算施加的載荷為一對力偶，所述力偶的施加位置分別為與客車左前輪前后板簧耦合的中心點位置及與客車右前輪前后板簧耦合的中心點位置。

4.根據權利要求2所述的基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，其特征在于，步驟(3)中約束條件還包括第一類響應約束，第一類響應約束為限制步驟(2)中門立柱初始模型的最大位移、客車前門后立柱的最大位移、客車后門前立柱的最大位移、客車后門后立柱的最大位移。

5.根據權利要求1所述的基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，其特征在于，步驟(2)中對門立柱進行概念設計后建立門立柱初始模型，門立柱初始模型為實體模型，門立柱初始模型的外輪廓和含有門立柱的客車的門立柱相同。

6.根據權利要求2所述的基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，其特征在于，步驟(4)中拓撲后模型的門立柱在擠壓方向上的橫截面一致，拓撲后模型中客車前門后立柱的斷面、客車后門前立柱的斷面、客車后門后立柱的斷面完全相同，門立柱斷面相同位置壁厚為同一設計變量；步驟(4)中相對位移的計算公式與步驟(3)中相對位移的計算公式相同。

7.根據權利要求2所述的基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，其特征在于，步驟(1)中扭轉剛度計算的公式為：K_T＝T/θ，其中，T為扭矩，θ為扭轉角。