基于Optistruct的地铁车顶骨架有限元强度分析及优化

费聿坤　韩震　李龙

摘要：文章为对我国某新型地铁车顶骨架结构进行优化，分析了其的结构静强度，然后依据各工况的應力分布情况找出应力存在的位置，同时讲解了产生其的原因，然后利用到Optistruct提出几种优化方案，望可以为有关人员提供到一定的参考和帮助。

关键词：Optistruct;地铁;优化

当前我国轨道事业的发展和人们生活水平的不断提升提升，便捷高校的地铁受到了许多城市的青睐，车顶骨架是车辆内装中重要的组成部分，其在支撑车顶封到方面有着十分重要的作用，为此文章主要是对某公司开发的新型地铁的车顶骨架结构展开了研究和探讨。

1.车顶骨架几何模型的建立

作为车辆内装的重要组成部分，车顶骨架主要包含三个主结构，由上到下依次为风道结构、中顶板结构以及扶手结构。车顶骨架结构采用模块化设计，便于最后整车模块化拼装。每个骨架模块中，风道结构由3根支撑梁承载。支撑梁的两端通过吊座用螺栓连接于车顶铝合金型材的滑槽中。中顶板结构的两边预置了两根安装的边梁。边梁通过螺栓与风道下部的顶板边梁连接。同时中顶结构两边与边顶板搭接。边顶板直接固定在侧墙。扶手上端安装在支撑梁凹槽中，下端与浮置地板相连。由上到下依次为风道和吊座结构，支撑梁结构，中顶板结构和扶手结构。

2.车顶骨架有限元模型的建立

由于该地铁车顶骨架结构是由板、梁组成的复杂三维空间结构，各个组件的厚度都比较薄，而且与长度相差太大，理论上各构件都可看作是薄壁板壳结构，因而可以全部采用板壳单元建立计算模型。将三维模型导入Hypermesh软件中，对实体几何进行抽中面，并根据实际情况针对各个中面进行连接，采用Altair公司的Hypermesh划分网格，网格划分前对各结构件进行模块分组，为提高整个网格划分的速度和保证网格的质量，缩短计算时间，需对该车顶骨架几何模型进行清理，去除对分析结果影响较小的倒圆以及小孔等几何区域。在本次有限元模型建模中，针对螺栓连接进行一定的简化。螺栓连接的两个部件，根据螺母或者垫片大小在连接处生成相应网格区域，并通过刚性单元将该区域的从节点与其中心处的主节点连接，用与螺栓相同截面的梁单元连接两个刚性单元的主节点，模拟螺栓连接处的实际受力情况。

3.车顶骨架强度分析

根据模型的实际安装位置，约束三个部位，分别是风道吊座连接的车顶型材的滑槽、边顶板与车体型材连接的部位、立柱扶手下底座位置。其中扶手水平载荷和垂直载荷作用位置相同，将横扶手5等分后，在四个等分点上施加节点力。按照正常人握立柱扶手的位置，斜向下45°载荷施加位置。本次分析的静强度计算载荷主要为三种：扶手水平载荷、扶手垂直载荷、扶手斜向下45°载荷。其中扶手水平载荷和垂直载荷作用位置相同，将横扶手5等分后，在四个等分点上施加节点力。按照正常人握立柱扶手的位置，斜向下45°载荷施加位置为：取立柱扶手离地1.4m到三通座之间进行6等分，取5个等分点进行加载。分析中载荷是单点加力，在加载点容易造成应力集中。根据圣维南定理，远离加载点位置的应力结果是准确可信的。而在加载点位置的受力情况比实际手握要恶劣，故结果相对保守，安全系数高。

4.车顶骨架支撑梁形状优化

对列车车体形状进行优化主要是为了达到两个目的：其一，是减轻车身质量从而实现其轻量化;其二，是实现车体各处应力能够有效合理的分布从而避免因为局部应力集中而破坏了整体结构。本次优化分析也是为了到达这两个目的。

4.1车体骨架支撑梁优化的数学模型优化设计包含三大要素：设计变量、目标函数和约束条件。在车体承载结构的优化设计中，首先要确定上诉三要素，以便建立优化设计的数学模型。

4.2目标函数的选择

在OptiStruct软件中，尺寸优化、形状优化以及拓扑优化的主要区别在于设计变量，本次的最终目标是实现该地铁车顶骨架挠度最小化，即f（x）→min。

4.3设计变量选择

对于本次优化的车顶承载结构，优化的目的是为了减小变形量，约束条件是结构的应力。因此，选取设计变量是其中最为重要的环节。将对应力，重量和位移影响较大的参数优先考虑将大大减小优化过程的困难程度。考虑到成本因素，车顶的结构形式和选用的材料已定，不能作为设计变量。优化设计变量的确定实质上就是优化对象结构的参数化。本次优化的车顶是由梁壳组合，但由于梁的厚度比较小，作为板壳来进行分析能达到更好的效果，所以将板厚作为设计变量的基本参数。根据第三部分的车体静强度分析，可以发现，在三个工况下，车顶的局部区域产生了较大的应力值。因此打算通过优化影响车体承载能力的重要梁柱截面梁柱截面尺寸而达到目标是可行的。根据以上原则，故选取车顶骨架支撑梁为优化对象。本次优化对象为不含扶手的车顶骨架支撑梁，初始结构中风道结构由3根支撑梁承载，。本次优化以材料屈服应力为约束，以位移最小为优化目标。基于Op-tiStruct软件，我们设计了如下6种优化方案，分别研究支撑梁不同尺寸下，对车体整体结构强度影响，从而达到最合适的设计方案。

4.4约束条件

本文中根据《铁道车辆强度设计及试验规范》关于强度评价的标准：车顶计算等效应力应低于材料的许用应力。从上述分析结果中可以看出支撑梁在各工况下整体应力都较小，综合考虑各方面的因素，选择材料的屈服强度作为约束条件，即车顶骨架支撑梁各工况最大应力不超过材料Al的屈服极限125MPa。

5.结束语

由上可知，在进行优化后车顶骨架结构总体应力分布较为合理，且在受力较大的支撑量螺栓连接部位的应力明显降低，有着更高的可靠性。有限元的车顶骨架结构优化方案能够有效减少加工的难度，降低投入的成本，同时提升了施工的质量。

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