一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构技术

本发明专利技术公开了一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构，优化方法包括：根据原有外风挡结构断面几何外形尺寸定义外风挡结构设计空间；对设计区域进行拓扑优化设计，得拓扑优化设计结果；将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，得拓扑优化的外风挡结构断面；将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面比较验证，若外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成优化；若不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。该优化方法及外风挡结构在不增加原结构质量的情况下，提高了外风挡结构的横向刚度，使安装后的外风挡结构减阻效果更好、横向抗变形能力提高，且满足外风挡结构轻量化设计需求。

【技术实现步骤摘要】
一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构
本专利技术涉及高速列车外风挡结构设计
，具体而言，涉及一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构。
技术介绍
高速列车是指最高运行时速不低于250千米的旅客列车，外风挡结构作为高速列车重要组成部件，安装于两车厢端部连接处，使得车体表面光顺平滑，为高速列车减阻降噪发挥了重要的作用。并且，橡胶外风挡具有较好的柔性变形能力，当列车通过曲线时，外风挡通过挤压变形为列车通过曲线时提供两车车厢之间位移量，列车直线行驶时外风挡回弹继续发挥减阻降噪的作用。随着列车运行速度的提高，外风挡受列车空气动力作用更为剧烈。在列车高速运行时，气动载荷作用下橡胶外风挡结构产生横向变形，而当气动载荷的激励频率接近结构固有频率时容易引起共振现象，加剧结构的振动。在已有研究中，动车组橡胶外风挡结构在使用的过程中存在气动响应问题，当列车运行速度到达200km/h以上时，橡胶外风挡出现沿垂直车体表面方向的外翻，严重时的外翻程度与车体表面呈现45°的夹角，由于橡胶结构外风挡不断的外翻屈挠，甚至出现断裂现象。并且，外风挡安装在靠近车体外表面的车端位置，外风挡的变形振动反过来又影响列车车端周围流场运动，从而改变气动载荷的分布和大小，将导致车厢端部连接处的气动力分布不均匀，严重影响列车行车稳定性。同时，外风挡的变形振动对于结构的疲劳寿命同样产生危害。在现有的技术中，虽采取了一些技术手段或提出了部分改进方案来增强外风挡的横向刚度，使得外风挡在气动载荷作用下产生的变形量减小。但这些改进措施对外风挡抗横向变形能力的提高效果不明显，并且在对外风挡进行补强的过程中均增加的原有结构的重量，且结构装配复杂。原外风挡装配时，相对的车端外风挡顶部橡胶圆弧之间存在凹陷，该凹陷的存在导致空气流过此处产生旋涡，对于外风挡气动减阻和降噪的效果减弱。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种高速列车外风挡结构的优化方法及外风挡结构，该优化方法及外风挡结构在不增加原结构质量的情况下，提高外风挡结构的横向刚度，使安装后的外风挡结构减阻效果更好且横向抗变形能力提高，提高外风挡的使用可靠性，并且满足高速列车外风挡结构轻量化设计方向。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种高速列车外风挡结构的优化方法，包括以下步骤：根据原有外风挡结构断面的几何外形尺寸，定义外风挡结构的设计空间，设计空间包括非设计区域和设计区域，非设计区域为从原有外风挡结构的断面外轮廓向内一定厚度的区域，设计区域为原有外风挡结构的断面非设计区域以内的区域；对设计区域进行拓扑优化设计，得到拓扑优化设计结果；拓扑优化设计的目标包括提高原有外风挡结构的横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，得到拓扑优化的外风挡结构断面；将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，若拓扑优化的外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成外风挡结构的优化；若拓扑优化的外风挡结构断面不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。进一步地，原有外风挡结构断面包括原有外风挡侧壁和原有外风挡圆弧段，原有外风挡圆弧段的厚度小于原有外风挡侧壁的厚度，非设计区域的厚度与原有外风挡圆弧段的厚度接近。进一步地，对所述设计区域进行拓扑优化设计，具体包括以下步骤：在原有外风挡结构应用时的约束边界条件下，在设计区域内寻找使得外风挡结构横向刚度最大化时的材料分布方案，建立设计模型和分析模型；在设计模型和分析模型中选定优化设计区域；对优化设计区域进行几何建模并划分网格，建立优化设计模型；定义优化设计模型的优化设置，优化设置包括壳单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件的有限元模型；采用变密度法对优化设计模型进行优化求解，得到拓扑优化设计结果；在对优化设计模型断面进行拓扑优化设计时包括定义拓扑优化的设计变量、创建体积分数响应、创建位移响应、约束位移响应和定义目标函数。进一步地，设计模型为根据原有外风挡结构断面，保留外风挡外轮廓，将外风挡结构断面外轮廓以内面积分为设计区域和非设计区域得到的设计模型；分析模型包括拓扑优化变密度法优化算法模型以及设计目标函数，设计目标函数的设计目标包括：在相同的气动载荷作用下优化后外风挡结构断面的横向变形量小于原有外风挡结构断面的变形量、优化后外风挡结构断面的一阶固有频率大于原有外风挡结构断面。进一步地，将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，具体是指：将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面的横向刚度、一阶弯曲固有频率、外风挡质量以及外风挡结构断面的几何外轮廓进行比较；验证拓扑优化的外风挡结构断面的横向刚度是否大于原有外风挡结构断面，验证拓扑优化的外风挡结构断面的一阶弯曲固有频率是否大于原有外风挡结构断面，验证拓扑优化的外风挡结构断面的质量是否小于原有外风挡结构断面，并验证拓扑优化的外风挡结构断面的几何外轮廓是否与原有外风挡结构断面一致。根据本专利技术的另一方面，提供了一种高速列车外风挡结构，包括第一外风挡壁、第二外风挡壁和外风挡圆弧段，外风挡圆弧段的两端分别与第一外风挡壁和第二外风挡壁相连接形成U型外风挡轮廓，第一外风挡壁与外风挡圆弧段连接处内壁设有第一小加强筋，第二外风挡壁与外风挡圆弧段连接处内壁设有第二小加强筋，第一外风挡壁的根部内壁设有第一大加强筋，第二外风挡壁的根部内壁设有第二大加强筋，第一小加强筋、第二小加强筋、第一大加强筋和第二大加强筋的另一端相连接形成星型内部加强结构，第一小加强筋和第二小加强筋的厚度小于第一大加强筋和第二大加强筋的厚度。进一步地，第一小加强筋、第二小加强筋、第一大加强筋和第二大加强筋的交点位于第一小加强筋与第一外风挡壁连接点的下方，且位于第一大加强筋与第一外风挡壁连接点的上方。进一步地，第一小加强筋和第二小加强筋相对于外风挡结构断面的竖向轴线对称设置，第一大加强筋和第二大加强筋相对于外风挡结构断面的竖向轴线对称设置，第一小加强筋、第二小加强筋、第一大加强筋和第二大加强筋的交点位于外风挡结构断面的竖向轴线上。进一步地，第一外风挡壁、第二外风挡壁和外风挡圆弧段的厚度一致，第一外风挡壁、第二外风挡壁、外风挡圆弧段、第一小加强筋、第二小加强筋、第一大加强筋和第二大加强筋一体成型设置。进一步地，第一外风挡壁和第二外风挡壁的根部均通过一紧固螺栓和一紧固件内侧夹板与一L型紧固件相连接，L型紧固件与第一外风挡壁、第二外风挡壁连接的一端外侧设有倒角。应用本专利技术的技术方案，首先根据原有外风挡结构断面的几何外形尺寸定义外风挡结构的设计空间；然后对设计区域进行拓扑优化设计，其优化设计目标为提高原有外风挡结构横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；再将拓扑优化设计结果进行几何重构及修改；并将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n根据原有外风挡结构断面的几何外形尺寸，定义外风挡结构的设计空间，所述设计空间包括非设计区域和设计区域，所述非设计区域为从所述原有外风挡结构的断面外轮廓向内一定厚度的区域，所述设计区域为所述原有外风挡结构的断面非设计区域以内的区域；/n对所述设计区域进行拓扑优化设计，得到拓扑优化设计结果；拓扑优化设计的目标包括提高原有外风挡结构的横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；/n将所述拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，得到拓扑优化的外风挡结构断面；/n将所述拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，若所述拓扑优化的外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成所述外风挡结构的优化；若所述拓扑优化的外风挡结构断面不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据原有外风挡结构断面的几何外形尺寸，定义外风挡结构的设计空间，所述设计空间包括非设计区域和设计区域，所述非设计区域为从所述原有外风挡结构的断面外轮廓向内一定厚度的区域，所述设计区域为所述原有外风挡结构的断面非设计区域以内的区域；
对所述设计区域进行拓扑优化设计，得到拓扑优化设计结果；拓扑优化设计的目标包括提高原有外风挡结构的横向刚度、提高原有外风挡结构的一阶弯曲固有频率、减轻原有外风挡结构的质量以及保证原有外风挡结构断面的几何外轮廓不改变；
将所述拓扑优化设计结果进行几何重构及修改，得到拓扑优化的外风挡结构断面；
将所述拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，若所述拓扑优化的外风挡结构断面满足轻量化设计要求，则完成所述外风挡结构的优化；若所述拓扑优化的外风挡结构断面不满足轻量化设计要求，则返回几何重构及修改步骤进行迭代设计和比较验证。


2.根据权利要求1所述的高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，所述原有外风挡结构断面包括原有外风挡侧壁和原有外风挡圆弧段，所述原有外风挡圆弧段的厚度小于所述原有外风挡侧壁的厚度，所述非设计区域的厚度与所述原有外风挡圆弧段的厚度接近。


3.根据权利要求1所述的高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，对所述设计区域进行拓扑优化设计，具体包括以下步骤：
在原有外风挡结构应用时的约束边界条件下，在设计区域内寻找使得外风挡结构横向刚度最大化时的材料分布方案，建立设计模型和分析模型；
在所述设计模型和分析模型中选定优化设计区域；
对所述优化设计区域进行几何建模并划分网格，建立优化设计模型；
定义所述优化设计模型的优化设置，所述优化设置包括壳单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件的有限元模型；
采用变密度法对所述优化设计模型进行优化求解，得到拓扑优化设计结果。


4.根据权利要求3所述的高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，
所述设计模型为根据原有外风挡结构断面，保留外风挡外轮廓，将外风挡结构断面外轮廓以内面积分为设计区域和非设计区域得到的设计模型；
所述分析模型包括拓扑优化变密度法优化算法模型以及设计目标函数，所述设计目标函数的设计目标包括：在相同的气动载荷作用下优化后外风挡结构断面的横向变形量小于原有外风挡结构断面的变形量、优化后外风挡结构断面的一阶固有频率大于原有外风挡结构断面。


5.根据权利要求1-4中任意一项所述的高速列车外风挡结构的优化方法，其特征在于，将所述拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面进行比较验证，具体是指：
将拓扑优化的外风挡结构断面与原有外风挡结构断面的横向刚度、一阶弯曲固有频率、外...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊小慧，梁习锋，刘堂红，余以正，钟睦，唐明赞，朱亮，
申请(专利权)人：中南大学，中车长春轨道客车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43