一種機(jī)車(chē)車(chē)體輕量化優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于軌道車(chē)輛領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)車(chē)車(chē)體輕量化優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]車(chē)體輕量化是機(jī)車(chē)車(chē)體設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。現(xiàn)有的機(jī)車(chē)車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)是基于ansys等有限元計(jì)算軟件優(yōu)化計(jì)算進(jìn)行的^nsys是一種應(yīng)用廣泛的CAE(Computer AidedEngineering，計(jì)算機(jī)輔助工程)分析軟件，具有優(yōu)化分析功能，通過(guò)把計(jì)算模型參數(shù)化，確定設(shè)計(jì)變量、約束變量和目標(biāo)變量，生成分析文件，選擇優(yōu)化算法對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。
[0003]由于ansys軟件自身的局限性，只能定義單個(gè)目標(biāo)函數(shù)以及數(shù)目較少的設(shè)計(jì)變量和約束變量，而且優(yōu)化算法類(lèi)型少，因此ansys只適合于設(shè)計(jì)變量和約束變量較少、目標(biāo)函數(shù)單一的小零部件的優(yōu)化計(jì)算。當(dāng)設(shè)計(jì)變量和約束變量過(guò)多時(shí)，利用ansys優(yōu)化計(jì)算的效率很低，并且很難得出理想的結(jié)果。
[0004]機(jī)車(chē)車(chē)體包含的零部件眾多，因而設(shè)計(jì)變量很多，同時(shí)機(jī)車(chē)車(chē)體還要滿足強(qiáng)度和剛度的要求，因而約束變量很多，現(xiàn)有技術(shù)中的利用ansys軟件進(jìn)行機(jī)車(chē)車(chē)體輕量化的方法只能考慮少數(shù)設(shè)計(jì)變量和約束變量，目標(biāo)變量只有機(jī)車(chē)車(chē)體重量。要對(duì)整個(gè)機(jī)車(chē)車(chē)體進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)的輕量化計(jì)算方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)進(jìn)行多設(shè)計(jì)變量、多約束變量、多目標(biāo)變量的優(yōu)化計(jì)算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]使用現(xiàn)有的基于ansys等有限元計(jì)算軟件對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)體進(jìn)行輕量化優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)變量和約束變量少，目標(biāo)單一，計(jì)算效率低，結(jié)果不理想。本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改進(jìn)了的機(jī)車(chē)車(chē)體輕量化優(yōu)化方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種機(jī)車(chē)車(chē)體輕量化優(yōu)化方法，包括步驟
A.把組成車(chē)體有限元計(jì)算模型的殼單元按不同材料、不同厚度、不同部件進(jìn)行分組，建立不同材料、不同厚度、不同部件的殼單元組件，將各個(gè)殼單元組件的單元厚度參數(shù)化;寫(xiě)一個(gè)對(duì)各個(gè)殼單元組件的單元厚度進(jìn)行參數(shù)化的第一 APDL腳本文件；
B.對(duì)計(jì)算模型中的不同材料的焊縫和非焊縫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，并建立若干節(jié)點(diǎn)組件；寫(xiě)一個(gè)提取并寫(xiě)出各個(gè)節(jié)點(diǎn)組件的最大應(yīng)力的第二 APDL腳本文件；
C.寫(xiě)一個(gè)用于讀入計(jì)算模型、讀入設(shè)計(jì)參數(shù)和強(qiáng)度計(jì)算工況并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、讀入第二 APDL腳本文件的第三APDL腳本文件;所述設(shè)計(jì)參數(shù)為步驟A中參數(shù)化后的各個(gè)殼單元組件的單元厚度；寫(xiě)一個(gè)提取并寫(xiě)出計(jì)算模型全部殼單元質(zhì)量的第四APDL腳本文件；寫(xiě)一個(gè)提取并寫(xiě)出計(jì)算模型低階垂向彎曲固有頻率的第五APDL腳本文件;寫(xiě)一個(gè)用于讀入計(jì)算模型、讀入設(shè)計(jì)參數(shù)、讀入第四APDL腳本文件、進(jìn)行模態(tài)計(jì)算、讀入第五APDL腳本文件的第六APDL腳本文件；
D.在isight軟件中搭建task流程并調(diào)試直至正確;task流程是一個(gè)單次流程，即流程中的每項(xiàng)工作只執(zhí)行一次，目的是測(cè)試所搭建的仿真流程能否完整地從頭走到尾，能走通就是正確的。task流程主要包括將原始模型參數(shù)化，更新參數(shù)文件，將參數(shù)文件加載到原始模型生成新的模型，進(jìn)行計(jì)算應(yīng)力、位移、質(zhì)量和頻率的求解，獲取應(yīng)力、位移、質(zhì)量和頻率的計(jì)算結(jié)果。
[0007]E.把過(guò)程組件task改成過(guò)程組件DOE，得到DOE計(jì)算流程，按設(shè)計(jì)參數(shù)的個(gè)數(shù)確定DOE計(jì)算的樣本點(diǎn)數(shù)，設(shè)置各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍，選擇DOE計(jì)算的算法，設(shè)置目標(biāo)變量，進(jìn)行DOE計(jì)算;F.對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行敏感度分析，按照敏感度從大到小依次疊加求和，設(shè)置敏感度求和閾值，當(dāng)求得的敏感度和值大于或等于敏感度求和閾值時(shí)，停止求和并取參與求和的敏感度值所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)參與優(yōu)化計(jì)算；
G.用強(qiáng)度和剛度約束條件對(duì)DOE計(jì)算結(jié)果進(jìn)行篩選，找出滿足強(qiáng)度和剛度約束條件的全部設(shè)計(jì)參數(shù)值，從中選擇一組使目標(biāo)值最小的設(shè)計(jì)參數(shù)的值作為優(yōu)化計(jì)算的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的初始值；
H.在isight中搭建優(yōu)化計(jì)算流程，設(shè)置優(yōu)化算法，把DOE計(jì)算所確定的設(shè)計(jì)參數(shù)及其取值作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量及其初始值，設(shè)置設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍，設(shè)置約束變量的約束條件，設(shè)置目標(biāo)變量的優(yōu)化方向，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；
I.對(duì)優(yōu)化結(jié)果按照優(yōu)劣順序依次進(jìn)行全工況驗(yàn)證，最先滿足全部工況要求的解，就是優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果。
[0008]isight是一個(gè)仿真分析流程自動(dòng)化和多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化的工具，它提供了一個(gè)仿真流程搭建平臺(tái)，同時(shí)提供與多種主流CAE分析工具的專(zhuān)用接口，它通過(guò)一種搭積木的方式快速耦合各種仿真軟件，將設(shè)計(jì)流程、優(yōu)化算法、近似模型組織到一個(gè)統(tǒng)一的框架中，自動(dòng)調(diào)用仿真軟件，完成“分析-優(yōu)化-模型修正-再分析再優(yōu)化”整個(gè)流程，使整個(gè)設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化和全自動(dòng)化。
[0009]DOE計(jì)算就是試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of Experiments)，其作用主要是辨識(shí)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)、確定最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)組合、分析設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系和趨勢(shì)等等。
[0010]進(jìn)行敏感度分析就是辨識(shí)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)影響大的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，取參與求和的敏感度值所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)參與優(yōu)化計(jì)算，這樣處理即考慮了對(duì)目標(biāo)影響較大的設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，又縮小了計(jì)算規(guī)模，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。
[00?? ] 在isight中搭建優(yōu)化計(jì)算流程，即把過(guò)程組件task改成過(guò)程組件optimizat1n。
[0012]作為一種優(yōu)選方式，所述敏感度求和閾值的取值范圍為90%?95%。
[0013]敏感度求和閾值的取值范圍為90%?95%，因此，對(duì)車(chē)體重量貢獻(xiàn)較少的設(shè)計(jì)參數(shù)不參與優(yōu)化計(jì)算，節(jié)約了優(yōu)化計(jì)算的時(shí)間。敏感度求和閾值具體取值可根據(jù)具體項(xiàng)目對(duì)減重要求的苛刻程度和所擁有的計(jì)算機(jī)資源的優(yōu)劣情況。如果項(xiàng)目對(duì)減重的要求非常高，而且又擁有很好的計(jì)算機(jī)，閾值也可以取為100%，這時(shí)，全部設(shè)計(jì)變量都參與優(yōu)化計(jì)算。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)只使用ansys這類(lèi)的有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化，，由于軟件本身的限制，能計(jì)算的設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)目少，能考慮的約束變量數(shù)目較少，不能同時(shí)考慮滿足強(qiáng)度和固有頻率兩個(gè)方面的要求，能處理的目標(biāo)變量只有一個(gè)。而本發(fā)明基于isight和ansys的優(yōu)化計(jì)算，首先利用isight進(jìn)行DOE計(jì)算和敏感度分析，利用強(qiáng)度和剛度約束條件對(duì)DOE計(jì)算結(jié)果進(jìn)行過(guò)濾，從DOE計(jì)算結(jié)果中選擇一組既滿足強(qiáng)度和剛度約束條件又使車(chē)體質(zhì)量最小的較好的初始值，根據(jù)敏感度分析的結(jié)果選擇對(duì)車(chē)體重量影響較大的若干設(shè)計(jì)變量參與優(yōu)化計(jì)算。同時(shí)，利用isight可以進(jìn)行車(chē)體質(zhì)量最小化和設(shè)計(jì)參數(shù)最小化的多優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置和各個(gè)節(jié)點(diǎn)組件在各種工況下的應(yīng)力不能超過(guò)相應(yīng)材料許用應(yīng)力的強(qiáng)度要求、車(chē)體邊梁垂向變形量不能超過(guò)設(shè)計(jì)值、最低階垂直彎曲固有頻率不能低于設(shè)計(jì)值等多約束變量設(shè)置。因此，本發(fā)明能方便有效地對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)變量的車(chē)體在滿足多個(gè)約束條件的情況進(jìn)行優(yōu)化，找到使車(chē)體重量最小的設(shè)計(jì)方案，能全方位考慮整車(chē)各個(gè)零部件板厚對(duì)優(yōu)化計(jì)算的貢獻(xiàn)，能同時(shí)兼顧滿足車(chē)體強(qiáng)度、變形和低價(jià)垂向彎曲頻率多個(gè)方面的要求，因而優(yōu)化效果好，使車(chē)體各個(gè)組成部件處在很均衡的承載狀態(tài)，能充分發(fā)揮車(chē)體各個(gè)部件的承載能力，使車(chē)體重量大幅度減輕。
[0015]
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為進(jìn)行模態(tài)計(jì)算并提取頻率和質(zhì)量計(jì)算結(jié)果所需要的文件。
[0017]圖2為進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算并提取應(yīng)力計(jì)算結(jié)果所需要的文件。
[0018]圖3為優(yōu)化計(jì)算文件夾。
[0019]圖4為優(yōu)化計(jì)算文件夾內(nèi)包含的內(nèi)容。
[0020]圖5為存放單元厚度參數(shù)化腳本文件的文件夾包含的內(nèi)容。
[0021 ]圖6為存放求解頻率和質(zhì)量并提取求解結(jié)果的腳本文件的文件夾包含的內(nèi)容。
[0022]圖7為存放求解應(yīng)力并提取求解結(jié)果的腳本文件的文件夾包含的內(nèi)容。
[0023]圖8為task流程調(diào)試圖。
[0024]圖9為DOE計(jì)算流程圖。
[0025]圖10為優(yōu)化計(jì)算流程圖。
[0026]圖11為靈敏度較大的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)總質(zhì)量的靈敏度值。
[0027]
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明中英文符號(hào)含義說(shuō)明如下:
APDL:全稱是ANSYS Parametric Design Language，是ANSYS軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言。
[0029]task:1sight軟件中的過(guò)程組件。
[0030]D0E:由過(guò)程組件task更名而來(lái)。DOE是試驗(yàn)設(shè)計(jì)，英文為Design of Experiments,目的是確定最佳的參數(shù)組合，分析輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關(guān)系和趨勢(shì)。
[0031]data exchanger、os command、parameter、data exchangerncalculate stress:isight軟件中的應(yīng)用組件。
[0032]parameter:由應(yīng)用組件data exchanger更名而來(lái)。
[0033]calculate stress:由應(yīng)用組件os command更名而來(lái)。
[0034]get stress:由應(yīng)用組件data exchanger更名而來(lái)。
[0035]calculate freq+mass:由應(yīng)用組件os command更名而來(lái)。
[0036]get freq+mass:由應(yīng)用組件data exchanger更名而來(lái)。
[0037]o