基于多目标的高速列车隔热结构拓扑优化

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1、2016年5月第42卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMay2016V01．42No．5http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0539基于多目标的高速列车隔热结构拓扑优化李明高1’+，李明1，韩璐1，赵宏哲2(1．唐山轨道客车有限责任公司，唐山063035；2．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京1

2、00083)摘要：车体隔热结构的特性是评价高速列车车体质量的一个重要性能参数。以刚度、隔热与质量为指标，针对地板、侧墙及平顶等车体结构，通过参数优化降低型材厚度(增加玻璃棉毡的厚度)来提高隔热性能，通过拓扑优化改善传力路径，提高刚度性能，给出了各结构的优化结果。在可制造化处理的基础上，通过有限元仿真，刚度、隔热与质量性能均得到了提高，验证了所提出方案和方法的有效性。本文为高速列车车体隔热结构的设计提供了一种新途径。关键词：高速列车；隔热结构；拓扑优化；刚度；可制造化处理中图分类号：THlll；U270文献标识码

3、：A文章编号：1001．5965(2016)05-0878-07车体的隔热结构不仅是采暖、空调等设备选型和车体优化设计的重要依据，而且，其特性是评价高速列车车体质量的一个重要性能参数和综合经济性指标¨引。一方面，若隔热效果欠佳，不仅会消耗更多的加热(或制冷)设备的能量，增加运行成本，也会影响列车的舒适性。另一方面，隔热结构也承受载荷，不仅要符合刚度、强度指标，而且要满足车体的轻量化要求∞剖。但是，由于车体隔热结构的隔热、强度与质量指标相互耦合，在设计方面存在较大的难度。目前，对车体结构的研究大多为刚度和强度的优

4、化，涉及隔热的文献较少¨4J。因此，研究新型高性能隔热结构，进而探索其相应的设计方法和工程措施，具有重要的现实意义。随着基础理论呻圳和其他相关技术的发展，拓扑优化作为一种新兴的结构优化技术，已被广泛应用于各领域，例如汽车n0。12]、重型机械¨31和机器人¨4。等。同时，拓扑优化为工程设计和分析人员提供了一条新的结构优化技术途径。这种方法自动化程度高，可以大大降低工程技术人员的工作量，同时也避免了因多次的重复设计所带来的不必要的开支，在工程中也已经得到了广泛的应用。因此，本文将利用拓扑优化技术对车体的隔热结构进

5、行设计。1多目标拓扑优化方案1．1整体思路以如图1所示的结构为例，车体结构的型材部分主要用来承受载荷，而玻璃棉毡主要用来隔热。因此，假设铝型材仅参与传力，玻璃棉毡仅参与传热；由于沥水板不参与传热和传力，本文对其不予考虑。如图1所示，在实际应用中，由于安装要求，型材、沥水板和玻璃棉毡的总厚度为定值。如果型材的整体厚度增加，刚度提高，但玻璃棉毡的厚度减小，隔热性能将变差；反之，刚度降低。另一方面，如果简单地增加型材内部的材料，刚度提高的同时质量增加，不满足车体结构轻量化的要求。收稿日期：2015-08-24；录用日

6、期：2015．10-30；网络出版时间：2015．12．1711：33网络出版地址：WWW．enki．net／kems／detail／11．2625．V．20151217．1133．011．html基金项目：国家科技支撑计划(2013BAG24802)}通讯作者：Tel．：0315-3089497E-mail：sjc—liminggao@tangche．cornBl用格式：李明高，李明，韩璐。等．基于多目标的高速列车隔热结构拓扑优化【J]．北京航空航天大学学掇．2016．42(5)：878．884．LIMG，L

7、IM，HANL，eta1．Multi—objectivetopologicaloptimizationofheatinsulationstruetul℃susedin^动一speedtrainEJ]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics．2016．42(5)：878．884(inChinese)．第5期李明高，等：基于多目标的高速列车隔热结构拓扑优化879图1优化思路Fig．1Schemeofoptimization因此，车体隔热结构的优化

8、是隔热、刚度和质量之间的折中。本文的思路是在减小型材厚度、增加玻璃棉毡厚度的基础上，在型材质量降低的情况下，改变内部材料的分布，优化其传力特性，使得刚度增加。而由于玻璃棉毡厚度的增加，隔热性能也将得到提高。由于玻璃棉毡厚度的增加较为简单，可用参数优化进行设计。而型材内部材料分布的改变较为复杂，必须采用拓扑优化技术。为此，本文将拓扑优化与参数优化相结合，参数优化主要目标是降低型材的厚度(