基于HyperStudy的点焊车车体结构优化设计

HyperStudy把目前使用最多的CAE仿真软件，HyperMesh及ANSYS完美的结合到了一起。运用HyperStudy能够快速的对出产的新车局部问题进行优化改进，大大缩短了出产新车的时间。内部自带的优化方法能满足目前各种优化分析的需要，用其优化的结果能快速的找到优化最优解，并以最优的方式文章引用: 王帅, 孙畅, 奉雅琴, 王剑. 基于HyperStudy 的点焊车车体结构优化设计[J]. 计算机科学与应用, 2017, 7(4): 377-387.

现代轨道车辆中应用最多的焊接方式有对接焊、搭接焊、点焊等。

点焊结构具有质量轻、静强度高、可靠性好和易于实现自动化等优点[1]，被中车各生产厂所接受。对点焊车车体的安全校核，基于有限元方法进行仿真分析，是广泛采用的一种方法。张军等[2]构建出较好的车辆优化数学模型并验证了其可行性；陈勇敢等[3]对车体焊点布置方法及优化软件进行了对比， 指出了OptiStruct 和ANSYS 对焊点布局优化的利弊，并运用这两款软件对应用模态分析对焊点进行了布局优化。谢素明等[4]解释了结构稳定性的算法原理， 并运用OptiStruct 软件对不锈钢点焊车车体局部运用子结构技术进行了稳定性分析， 并通过优化手段解决了某点焊车车体的失稳问题，同时提出可用变密度法来进行焊点的布局优化。潘迪夫等[5]在论文中提出可运用多目标遗传算法对机车部件进行优化。

目前的优化软件较多，HyperStudy 可调用各种分析软件进行形状和尺寸优化，吴洪亮[6]运用， HyperStudy 与OptiStruct 结合对汽车车体进行了尺寸优化，刘磊[7]对航天器结构做了优化，而焦柯[8]的论文中，表明修改某单元内部参数就可以完成尺寸优化，厂内目前的分析软件主要以ANSYS 为主，若直接用HyperStudy 与ANSYS 连接，能大大提高车体研发效率。通过以上论文的启发，焊点在ANSYS中也是以网格形式模拟，若直接修改网格参数，运用HyperStudy 的内部优化方法，不断修改网格参数， 得到满足优化中目标函数的数据， 从而完成对焊点布局的优化操作。

本文工作基于HyperStudy 优化平台， 结合HyperMesh 建模和ANSYS 分析功能，对新型不锈钢点焊车车体进行分析与优化，包括补强板设计位置、厚度等，局部结构的优化设计能在节省材料的同时大大降低应力值。

2. 车体有限元模型 新型不锈钢点焊车车体钢结构整体由底架、侧墙、车顶、端墙等组成。

车体整体外裹不同厚度蒙皮， 内为不同尺寸Z 型钢焊接而成的骨架。内外部由焊点连接。车体受力后，力通过各焊点遍布整个车体。

车体端部底架及枕梁大部分用09CuPCrNi 不锈钢， 其余部分采用SUS301L 系列不锈钢， 其力学性能如表1 所示。

HyperMesh 是一个高质量高效率的有限元前处理软件，它提供了高度交互的可视化环境帮助用户建立产品的有限元模型。HyperMesh 高质量高效率的网络划分技术可以完成全面的杆梁、板壳、四面体和六面体网格的自动和半自动划分，大大简化对复杂几何进行仿真建模的过程[9]。基于HyperMesh 软件对上述车体进行有限元建模，有限元模型主要以四节点壳单元(ANSYS SHELL181)为主，车体焊点由两点梁单元(ANSYS BEAM188)模拟， 设备质量由质量单元(ANSYS MASS21)模拟， 连接关系由柔性元(RBE3)和刚性元(CERIG)模拟。

车体单元总数为1,745,762 个， 其中梁单元总数为37,612 个， 节点总数为1710453 378