基于MSCNASTRAN的高速列车车体结构轻量_化设计的灵敏度分析.doc

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1、基于MSC.NASTAN的高速列车结构轻量化设计的灵敏度分析刘凯杰，俞程亮，赵洪伦(同济大学铁道与城市轨道交通研究院)摘要：运用MSC.NASTRAN软件对高速列车防爬器及车体结构进行轻量化设计的灵敏度分析，反映了灵敏度分析在高速列车结构优化设计中的重要作用。关键词：灵敏度分析，轻量化设计，高速列车SensitivityAnalysisforLightweightdesignofHigh-speedTrainStructureBasedonMsc.NastranLiuKaijie，YuChengliang,ZhaoGonglun(InstituteofLocomotivea

2、ndCarlEngineering,TongjiUniversity，Shanghai200331)Abstract:BasedonMSC.Nastransoftware,takinganti-climberandcarbodystructureasexamples,thesensitivityanalysiswasperformedforlightweightdesignofhigh-speedtrainstructure.theresultsindicatedthatsensitivityanalysisplayanimportantroleinoptiimaldesi

3、gnforhigh-speedtrainstructure.Keywords:sensitivityanalysis;lightweightdesign；high-speedtrain0引言车体结构轻量化是高速列车设计的一个重要课题。高速列车优化设计模型规模大，单次优化计算时间长，同时由于参数和约束需要根据计算历程或者计算结果进行重新设置，优化次数多，因此一个完整的高速列车车体结构优化设计过程历时长，效率低。为了简化优化设计，提高优化效率，在现代设计中引入了灵敏度分析这一概念。灵敏度分析既可作为优化设计的前瞻性分析，又可作为后续处理。作为前瞻性分析，设计者可以通过灵敏度分析

4、把握优化变量对优化目标的影响程度，从而为设计变量的增加、删减、以及参数设置的改变提供参考，就高速列车车体结构优化而言，能作为优化设计的数值多，如果都作为优化变量进行分析的话，整个优化设计的规模大，分析时间长，因此可以在优化设计前对这些变量进行灵敏度分析，删去对优化目标影响程度小的变量（仅靠变量上下限进行数值优化），集中计算对优化目标影响程度大的变量，这样可以大大提高优化效率；作为后续处理，一个成功的优化设计不仅仅能够提供一次优化的成果，还可以为以后同类型优化提供一个参照，灵敏度分析可以帮助设计者在最快时间内把握自己下次设计的变量情况，提高设计效率。灵敏度分析给工程设计人员把

5、握结构参数提供了巨大方便，使设计者不再仅仅依靠主观经验对结构参数进行调整，从而更准确地把握结构参数的调整方向及幅度。本文介绍了笔者通过对大型有限元分析MSC软件中灵敏度分析模块的实例运用，体会到结构灵敏度分析在大型结构设计优化实施发挥的重要指导作用。1灵敏度分析的基本概念灵敏度是指结构的某一特定的响应随着设计变量的改变而改变的变化率，响应包括目标函数和不等式约束函数。一般灵敏度分析(有时也称为感度向量分析)应用于这几个方面：（1）结构系统参数重要性的判别；（2）对结构参数发生变化时结构系统不受其影响的能力（也称鲁棒性robust）的考察；（3）数学规划中的应用；设结构的第j

6、个响应为，则灵敏度系数定义为：（1－1）表示在当前设计点X0处，设计变量xi的改变对第j个响应函数的影响的灵敏程度。2灵敏度分析的分类众所周知，设计变量，目标函数和约束条件是优化设计的三大要素，因此从设计变量在三要素的影响关系出发可以对灵敏度分析进行分类。1、不同设计变量之间的灵敏度分析；2、目标函数的灵敏度；3、约束函数的灵敏度。由于MSC.NASTRAN灵敏度分析模块中不同变量之间的灵敏度分析不作为优化分析对象输出，因此本文对此不做介绍，主要介绍后两种灵敏度的概念和计算方法。1.1目标函数灵敏度目标函数灵敏度反映了目标函数随设计变量的改变而改变的变化率，若目标函数为结构

7、的重量W，则：（2－1）表示在设计点X0处，设计变量xi的单位改变量引起的结构总重量的变化量。假定某优化设计，设计变量定义为部件的板厚，令部件的表面积为Ai，材料密度为ρi，重力加速度为g，则：由上式可知，设计变量对重量的灵敏度在数值上等于单位厚度的该部件的重量；以此类推，如果设计变量是某一梁件的截面积，则该变量对重量的灵敏度在数值上等于该梁单位长度的重量。1.2约束函数的灵敏度就车体结构优化设计而言其重要约束分为以下几种：位移约束、应力约束、特征值约束和设计变量本身的上下限约束，因此约束函数的灵敏度又分为位移灵敏