车体结构基于APDL的参数化有限元分析及优化技术研究王艳宇大连交通大学工程
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孙平丽大连交通大学工程
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张建大连交通大学工程
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【摘要】基于ANSYS的参数化设计语言（APDL），有限元分析的参数优化技术应用于铁路，电力发电车车体结构优化设计程序。利用APDL语言构造车身参数化有限元模型。对汽车的车身结构进行优化。优化前后分析车身的强度和刚度。优化结果表明，车体结构能够满足强度、刚度方面的性能指标的要求，本例演示表明参数化设计和优化设计的可行性和有效性。
关键词----参数设计，优化设计; APDL语言;有限元法;车身
一介绍
车辆车体结构轻量化设计是一个重要的研究方向。车身重量减少不仅可以节省材料，而且还可以提高操作性能。为了研究汽车车身结构轻量化的关键技术，并运用它对机车车辆产品设计。采取了以发电车为例，，使用ANSYS软件的二次开发语言APDL编译命令文件，然后构造了一个车身的有限元模型，所以车身的参数化有限元分析得以实现。一种高效的汽车车身结构设计可行的方法获得。随后利用ANASYS优化功能使汽车的车身结构优化，并考虑到车身的优化设计方法。
二参数化有限元分析的最优技术
有限元分析和参数化有限元方法的基础上，利用有限元技术相结合的参数化设计可以实现几何参数，参数化有限元模型和参数后处理的设计理念。通过调整分析模型可自动建立和自动执行有限元分析过程相应的参数。这种方法的非凡效果是它更方便地实现许多
项目进行比较和结构、多种尺寸和负荷进行分析。通过对特征参数修改得到新的分析命令文件。有限元分析的参数化方案的核心是可变的参数化有限元参数文件。通过对特征参数修改，新的分析命令文件被得到。用户通过参数的APDL语言编写的程序和ANSYS命令可实现有限元分析的整个过程。在[1]和在[2]给出了该方法及其应用的介绍。
结构优化设计，用ANSYS的优化方法可以实现必须要求的有限元模型参数化。Flan 在[3]和J.周兰[4]给出了基于有限元模型上的设置参数，然后进行优化的方法。
轻量化设计通过参数化的有限元分析和ANSYS的优化设计相结合的方法实现。在优化设计中使用APDL的方法避免了有限元建模和后处理最重复操作，明显提高了设计效率。[5]和[6]给出的一个三杆桁架和高速电力机车转向架构架的APDL参数优化设计方法，但是对APDL的参数化分析过程的介绍很少。
为了实现参数化有限元分析及大规模的车身结构设计，提高设计效率，本文给出了关键的参数化有限元分析和用APDL车身优化设计的方法。这将为该车辆设计者提供参考。
三车体结构的参数化有限元分析
A.车身几何模型的参数化
车身的钢结构，已是全焊接中梁圆柱薄壁和整体承载结构。有三个电车空间,一个是发电机舱和其它的是配电室。之间有隔墙的钢板。2号车底顶切成平底为安装空调。有可移动的顶盖。车体结构是由四部分组成，顶，侧墙，端墙和框架，这些都是板梁的承载结构。通过对横梁布局修改，整个模型可以被修改。因此，在有限元建模中梁空间位置是特别重要的。
在车身结构，它的纵向对称平面，一样的对称的垂直静载荷情况和纵向压缩情况。一半的车身是仿照的。在车身建模中的一些重复操作的命令可以被循环语句代替来减少程序的规模，并提高建模的速度。参数在多内置命令建立多行提示对话框框架中输入。图1显示的1 / 2钢汽车车身结构的简化图。
图1 简化图的1 / 2钢车体结构
B.电车车身有限元建模
车身的几何模型网格划分与力学性能和车身零件的尺寸一致。单元类型是车身的有限元建模的关键，单元的属性，单元的大小和形状和划分方法。选用弹性四节点壳单元shell63和三维线性两个节点的空间梁单元beam188。beam188单元节点具有六个自由度，可以实现壳单元和梁单元的耦合。beam188单元具有截面定义功能和可视化功能的优点。然而，每一个方向的梁截面关键点必须定义，所以它不适用于复杂的模型。如缓冲梁，窗台梁，中梁，车身支撑，侧梁底，横梁，屋顶板，地板，侧墙，端墙和钢分区等大部分部件都是由壳单元模拟，但有些梁侧壁，屋顶，侧墙和一些底架梁小截面梁由梁单元建模。对车身和梁截面钢板厚度可以被定义为参数。真正的常量元素shell63是主要厚度。根据车身薄板和优化的需要定义的49种壳实常数。梁截面定义平面几何结构在轴的正规方向。ANSYS软件提供了一个包含11个梁截面类型库。用户可以在同一时间建立新的梁截面。对车身造型的基础梁，定义了30种系列梁断面。
有限元网格是通过命令文件得到。因此，单元的大小和形状可以改变，通过修改相应的参数。划分应该对应几何模型尺寸，设计使得梁截面、钢板厚度分组和某些命令作为循
环，数组，宏等，以减少有限元建模方案的规模，从而增加建模速度，并方便的操作参数。如果某些部分修改，不需要重新生成网格。例如，当底架横梁增加洞，以减轻重量，有限元模型可以随着程序的再次运行自动生成。
图2显示了参数化车身有限元模型。有限元模型没有明显的差异相较于一般模型。然而，主要板厚度和梁截面尺寸全是参数。
图2 1 / 2车身的有限元模型
C．参数荷载计算
由于正在运行的汽车车身结构受各种动态和静态载荷，选择不同的载荷情况下的强度有限元分析计算标准TB/T 1335-1996，作为列车设计和试验强度评价规范。
有三个选定的情况分析强度，即静垂直，总垂直和纵向延伸980kN，总垂直载荷工况和980kN纵向压缩载荷的案件。参数化载荷计算适应于基于载荷特性的参数化加载。该程序会根据不同载荷的重要性自动完成不同载荷的参数计算。
D．基于ANSYS参数载荷计算，后处理
参数化后处理的目的是很快反馈车身有限元分析结果，实现不同结构和载荷结果的比较，然后进行下一步的优化设计。基于ANSYS的参数化后处理是容易实现的。用户可以快速通过ANSYS的命令运行分类得到期望的计算结果。
车身结构的计算结果表明，该车体变形是合理的，应力分布合理，有一个局部高应力应力集中现象，在低压力区域有一个压力储存。因此，车身设计优化。
图3 Von Mises应力的纵向延伸和垂直负载的情况下
图4 Von Mises纵向压缩应力和垂直载荷情况
四电车车身的优化设计
A．车身优化设计的数学模型
该优化的目的是实现车体轻量化。因此，大量车体钢结构作为目标函数选取以使某些项目的条件下，车身质量最小化。最优化变量的选择主要是在梁截面和板厚，这对车身的优化在荷载能力和板厚方面有较大贡献。例如，车顶板和车顶弯梁结构几乎控制了车顶的大部分元素数，所以在优化中仅四个设计变量就能代表车顶。另外一些横梁例如柴油发电机组的安装支架等，在静态有限元分析中出现高应力或有特殊功能都不能运行优化。然而，他们的压力在优化后检查。根据静态车身有限元分析结果，厚度参数包括20个变量，宽度和长度参数包括16项变量。
约束条件可以分为性能约束和边界约束。性能约束是强度和刚度，这是说的应力和位移应符合规范要求的约束。电车车体结构主要采用三种材料，即耐候钢09CuPCrNi - B、不锈钢1Cr18Ni9Ti、碳钢Q235A。因此，约束条件是，马克斯冯米塞斯应力σ应小于或等于[σ]这是材料在不同负荷情况下允许的压力。碳素钢允许的应力值是161MPa，耐候钢184MPa 和不锈钢188MPa 。垂直弯曲刚度约束是中心梁的EJ大于或等于1.30 × 109 N．m2
和侧壁EJ大于或等于1.80 × 109 N．m2。优化设计，选用的材料的允许应力为约束条件。
边界约束也被称为区间限制，用于指定设计变量范围。根据经验和技术要求，可以选择板厚和车身梁的上限和下限的参数调动。
1）优化计算案例选择
按静强度分析第三载荷情况下是最危险的，从而优化分析在第三载荷情况下运行。最后对原车身模型带回新的优化变量，强度和刚度再检查一遍，以满足该标准的要求。
2）基于ANSYS车身优化数学模型，
该优化设计采用零阶优化方法：
a）首先选择一些厚度作为优化变量，并设置不同的材料的允许应力作为约束规范要求的条件;
b）第二选择一些截面尺寸和板厚为优化变量，在相同的约束条件下，让第一个优化结果作为初始值。
图5和图6显示了约束条件的变化和车身在第一次优化过程的质量。
图5 在优化中更改约束
图6 在优化中改变质量
B．车身优化设计的结果分析
表1显示了设计变量的初始值和两步优化后的优化结果的。优化后的车身模型强度进行了分析。该结果表明，超过标准规定的的压力是有限的。通过优化车身质量降低811.3kg，是车身重量的8.4％。
表一优化前后板厚和梁截面对比表
设计变量优化前（mm）优化后（mm）
车身支撑网版厚度8.0 7.0
蓄电池、油箱支架10.0 8.0
车顶厚度 2.0 1.5
侧墙板厚度 2.0 1.5
钢隔墙厚度 2.0 1.5
加强板厚度8.0 6.0 车身支撑车顶板厚度8.0 6.0
交叉托架 6.0 7.0
端墙横梁７０＊４０＊３４０＊４０＊２．５
端墙标杆４０＊３０＊３４０＊３０＊２．５
钢隔墙５０＊３０＊２．５４０＊２５＊２．０侧墙长度梁５０＊３２＊２．５４０＊３０＊２．０
侧墙标杆２５＊７０＊３５＊２．５２０＊６０＊３０＊２．０
短纵梁３７＊６５＊５０＊２．５３０＊６０＊４０＊２．０
五结论
ANSYS软件优化设计采用批处理方式。分析过程的主要参数设置过程文件包括用APDL的参数化方法和命令。车身的参数化有限元程序写入，钢板厚度和梁断面进行了优化。优化结果表明，车身质量降低了811.3kg，这是车身重量的8.4％，在同一时间的刚度和强度
可以达到要求。它验证了该
图7Von Mises应力优化的车身下的纵向伸展和垂直负载的情况下
图8Von Mises应力优化的车身下的纵向压缩和垂直负载的情况下
六。参考文献[1]煌文，楼他，WDWen，“结构有限元分析的基础
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