基于单元生死功能的转向架构架拓扑优化设计

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1、第27卷第5期计算机仿真2010年5月文章编号：1006—9348(2010)05-0267一o4基于单元生死功能的转向架构架拓扑优化设计周春平，常锦昕(成都铁路运输学校，四川成都610081)摘要：为了更好地实现转向架构架的轻量化设计，根据设计经验，采用渐进结构优化法(ESO)的基本思想，通过对ANSYS单元生死功能的二次开发，应用APDL(ANSYSParametricDesignLanguage)编制拓扑优化程序，以直观的有限元模型代替复杂的拓扑优化的数学模型，提出了一种构架拓扑优化设计的工程方法。通过方法优化，使某高速动力车转向架构架在疲劳强度符合要求的前提下，结

2、构应力趋于均匀分布，质量减少了143．92kg。结果表明，提出的方法是有效的和可行的，具有一定的工程实用价值，为设计提供依据。关键词：转向架构架；拓扑优化；二次开发；参数化设计语言；单元生死中图分类号：U260．331文献标识码：ATopologyOptimizationDesignofBogieFrameBasedonElementBirthandDeathZHOUChun—ping，CHANGJin—xin(ChengduRailwayTransportationSchool，ChengduSichuan610081，China)ABSTRACT：Inordertoi

3、mplementbetterlightweightdesignofbogieframe，theauthorpresentsaengineeringmeth—odoftopologyoptimizationbyreferencingexperienceofengineerandbasicideaofESOandthesecondarydevelop·mentofANSYSelementbirthanddeathfunction．TheprogramoftopologyoptimizationiscompiledwithAPDL，andthecomplexmathematic

4、almodeloftopologyoptimizationisreplacedwithintuitionisticfiniteelementmode1．Asare—sult，itsfatiguestrengthmeetstherequirement，structuralstresstendstodistributeuniformlye，andthemassisdi—minishedby143．92kginbogieflameofhighspeedpowercar．Theresultsshowthatthismethodiseffectiveandfea—sible，and

5、haspracticalvalueofengineering．KEYWORDS：B0eframe；Topologyoptimization；Secondarydevelopment；ANSYSparametricdesignlanguage；Ele—mentbirthanddeath1引言2优化设计理论基础随着铁道机车车辆速度的不断提高，转向架的主要承载2．1拓扑优化件采用轻量化设计是发展的必然趋势。构架作为转向架结目前，结构优化设计包含尺寸优化、形状优化和拓扑优构安装和载荷传递的最重要部件之一，其结构形式在满足强化等内容。前两种优化技术已经相对成熟，成功的应用于航度和刚

6、度的前提下，应尽可能实现轻量化设计。对构架进行空、航天、汽车等一些领域。而拓扑优化仍处于基础理论研究阶段。相对于尺寸优化和形状优化，拓扑优化能从根本上优化设计，有利于充分发挥结构材料的潜能，使结构应力分改变结构的拓扑，体现真正意义上的最优设计，在复杂结构布趋于均匀，实现等强度设计，结构自重达到最轻。本文以选型和轻量化设计中，拓扑优化比后续的形状和尺寸优化更某高速动力车的“口字形”转向架构架为例，通过对ANSYS有价值。因此，结构拓扑优化设计在现阶段受到广泛的关单元生死功能的二次开发，提出构架的拓扑优化方案，以达注。到构架轻量化的目的。拓扑优化设计是在给定材料品质和设计区域

7、内，通过优化设计方法得到既满足约束条件又使目标函数最优的结构布局形式及构件尺寸。其优化数学模型⋯如下：miI)X∈DCEn1基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助(IRT0452)s．t．h(X)：0=1，2，⋯，PI(1)收稿日期：2009—03—10修回日期：2009—04—14g(X)≤0u=1，2，⋯，mJ．．——267．——其中，为设计变量，D为其可行域，为设计空间。在结构优化设计中，目标函数X)一般为质量，即求满足约束条件下质量最小。2．2渐进结构优化法(ESO法)ESO法是1993年谢亿民与Steven提出的拓