4_基于OptiStruct的车钩安装座优化设计_张德峰

Altair 2011 HyperWorks技术大会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集 - 1 - 基于 OptiStruct的车钩安装座优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与分析 张德峰 1 王维 1 贾方 2 (1南车南京浦镇车辆有限公司、南京、210031 2 东南大学机械工程学院、南京、211189) 摘要：车钩是用来实现列车的连挂和传递牵引力及吸收纵向冲击力的重要部件，因此对车 钩安装座具有较高的要求。一般车钩安装座采用用铸造的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 制造，且为了满足车钩的牵引 和碰撞要求，往往采用较高的安全系数，造成其自身重量较大，这与车体轻量化设计的要求 相违背。本文以某型号地铁的车钩安装座设计为例，基于 Altair公司的优化软件 OptiStruct 的拓扑优化和分析功能对车钩安装座处进行优化分析，并根据铸造工艺特点及结构安全性等 要求对拓扑优化结果进行重新分析和设计，以达到车钩安装座的最优化设计。 关键字：拓扑优化 车钩安装座 快速设计 OptiStruct 1概述 随着现代社会的发展，目前更多的城市越来越重视地铁轨道交通的发展，城市轨道交通 完成的运量在公共交通运量中的比例越来越大，列车运行的安全性也越来越受到重视。车钩 作为重要的牵引和安全部件，在列车运行中起着重要的作用：传递列车之间的牵引力；缓解 和吸收列车正常联挂时产生的冲击；缓和列车在正常运行中出现的纵向冲击，提高列车运行 平稳性和舒适性；吸收列车在非正常状态下以较高速度撞击时的冲击能量，保护车底架不受 损坏、乘客不受伤。因此车钩的设计往往要能承受比正常牵引和制动的力，车钩安装座作为 连接车钩与车体的过渡元件，必须满足车钩在受到冲击时自身不能损坏的条件，因此车钩必 须具有较高的结构安全性。 一般车钩安装座采用铸造的工艺制造，结果往往是产品具有较大的体积，这不符合城轨 车辆轻量化设计的思路，因此必须在现有工艺的基础上对车钩安装座进行结构优化，以达到 减轻车体重要的要求。应用 OptiStruct优化软件对车钩安装座进行拓扑优化，可以使材料达 到最合理的分布，在满足刚度要求的前提下，尽可能的减轻车钩安装座的重量。 2有限元模型的建立 基于以往的设计经验并根据车钩的连接方式及外界的相关尺寸的限制建立了车钩安装 座的三维模型，如图 1 所示。其前端面的四孔是为车钩连接预留的螺栓孔，后端面共 8 个 螺栓孔是连接车体所用螺栓预留，前后端面由四个角柱连接，中间为中空穿透结构，该造型 必须采用铸造工艺进行制造。在设计中，必须考虑到扳手空间预留，即螺栓孔到角柱必需保 留一定距离，且由于城轨车辆设计的特殊性，没有较多的空间预留下，因此车钩安装座的设 计只能在有限的空间内寻找最优设计。 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 2 - 螺栓头及螺母覆盖的圆柱部分作为非优化区域，使用六面体网格划分，其余部分为优化 区域使用四面体网格划分，划分结果见图 2。优化分析中共设置了三个工况：900KN 压缩 工况、750KN拉伸工况及 180KN顶车工况，满足该三种工况即能能保证车钩安装座正常使 用；约束后部 8 个螺栓孔内部节点的自由。材料采取中国南车企业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 Q/CSR 015-2006 规定的C级钢，其抗拉强度为 620MPa，下屈服强度为 415MPa，弹性模量取 2.06×105MPa， 泊松比为 0.3。该材料具有较好的抗冲击性能，适合制作车钩等冲击部件的安装座。以体积 分数最小为 0.3作为优化约束，以各工况的计权应变能最小作为优化目标，每个工况的计权 系数都为 1，以此建立优化模型进行优化分析，并设置拔模方向作为制造约束。 图 1 车钩安装座三维模型 图 2 有限元模型 3优化结果分析 运行 OptiStruct软件，进行优化分析，最终经过 22步优化得到最优结果，优化结果见 图 3 所示，优化结果仅保留了螺栓孔周围及角柱的部分材料。因此在理论上，该车钩安装 座有较大的余量可以进行优化。但是考虑到车钩安装座使用的安全性，以优化结果作为基础， 结合铸造工艺，重新设计车钩安装座，设计模型见图 4。 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 3 - 图 3 优化结果 图 4 重新设计的三维模型 4优化后模型的重新校核 在 HyperMesh中重新建立新设计的车钩安装座的有限元模型，使用 HyperWorks自带 的 RADIOSS 求解器重新校核上述三个工况，900KN 的压缩工况最大应力为 339MPa， 750KN 的拉伸工况最大应力为 268MPa，两个工况的最大应力都处在前端面与角柱连接的 圆角处，180KN的顶车工况最大应力为 50MPa，均低于 C级钢允许的最小屈服强度，符合 设计要求。图 5给出了 900KN压缩工况的应力云图。 5结论 本文以某型地铁的车钩安装座优化分析 为例，根据其设计空间要求建立拓扑优化分析 模型，根据优化结构重新设计了车钩安装座的 三维模型，并对三维模型进行了校核分析，结 果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明满足强度设计要求。最初设计是三维模 型重量为 236Kg，重新设计后的三维模型重量 为 199Kg，优化后的结果减轻了 37Kg，节省 材料 15.6%。HyperWorks下的 OptiStruct优 化软件与 RADIOSS 分析软件等软件的联合 应用缩短了设计周期，获得了较为满意的优化 结果，因此在轨道车辆行业的轻量化设计中， 必能获得广泛的应用。 6参考文献： [1] 王苏号,贾方,王兴松.基于 OptiStruct 的伺服压力机机身拓扑优化,锻压装备与制造技 术.2007, (6):34-36. [2] 冯桢,于涛.拓扑优化方法在产品设计中的应用探索.机械设计与制造,2007(3):138-139. 图 5 900KN压缩工况的应力云图 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 - 4 - [3] OptiStruct User’s Manual, Altair Company. The optimization and design of coupler-mounting base by OptiStruct Zhang Defeng Wang Wei Jia Fang Abstract：Coupler is the important part to connect and tract the trains and absorb the longitudinal impact, so the mounting base is required high. Usually the base is cast, meanwhile the safe factor is high to meet the former demands, which result in heavier weight against the rule of carbody-lightweight design. In this paper some metro vehicle’s coupler-mounting base is analyzed and topology-optimized based the optimization software OptiStruct of Altair. In the end, the analysis and redesign of topology optimization result is doing to have the best design according to the cast’s characteristic and structure safety. Key word: topology optimization, coupler-mounting base, speed design, OptiStruct