34 基于Isight与Tosca的抗侧滚扭杆装置优化分析

第 22 卷 增刊 2 计 算 机 辅 助 工 程 Vol 22 Suppl 2 2013 年 10 月 Computer Aided Engineering Oct 2013 论文所属行业 铁路 基于基于 Isight 与与 Tosca 的抗侧滚扭杆装置优化分析的抗侧滚扭杆装置优化分析 卜继玲 1 王京雁2 吕士勇1 李伟2 赖宇阳2 1 株洲时代新材料科技股份有限公司技术中心 湖南省 株洲市 邮编 412000 2 北京树优信息技术有限公司技术部 北京市 邮编 100062 摘要 基于 Isight 与 Tosca 软件对抗侧滚扭杆装置轻量化设计问题进行优化分析 采用 Isight 软件集成 Abaqus 软件对扭杆轴进行了结构参数优化分析 采用 Tosca 软件集成 Abaqus 软件 与 Fe safe 软件对扭转臂进行了结构拓扑优化分析 分别研究了扭杆轴与扭转臂的轻量化设计 方法 为今后抗侧滚扭杆装置的产品设计提供了一种思路 关键词 轻量化设计 扭杆轴 扭转臂 参数优化 拓扑优化 中图分类号 文献标志码 B Isight and Tocsa based optimization analysis on anti roll bar system WANG Jingyan1 Bu Jiling1 Lv Shiyong1 LI Wei2 Lai Yuyang2 1 Technology Center of Zhuzhou Times New Materials Technology co LTD Zhuzhou Hunan China 412007 2 Beijing Soyotec co Ltd Tectnical Department Beijing 100062 China Abstract The software of Isight and Tocsa are respectively used for linghtening design of anti roll bar system The structural parameters optimization analysis of bar is carried out by using a way of Isight integrated with Abaqus and topology optimization analysis of arm is done by a way of Tosca integrated with Abaqus and Fesafe so as to gain corresponding optimization schemes respectively and those schemes can be used for guiding the design concepts of future products Key words lightening design Anti roll bar Lever parameters optimization topology optimization 0 引 言 随着轨道交通行业的发展 空气弹簧越来 越多地被采用来解决乘坐舒适性和振动噪声问 题 但是在得到较好的车辆垂向性能的同时 却导致了车辆侧滚刚度的减小 车辆侧滚刚度 的减小 车辆的柔度系数和侧滚角都会明显增 大 不仅会影响车辆运行的平稳性和旅客的舒 适性 还会带来严重的安全隐患 目前解决这 个问题的常用办法是 在转向架的悬挂系统中 增加抗侧滚扭杆装置 1 6 抗侧滚扭杆对车辆的 垂向 横摆 点头 摇头及浮沉等振动不产生 影响 只抑制车辆的侧滚振动 在承受高频率 振动载荷时 不会产生颤振 并且抗侧滚扭杆 还具有开发周期较短 工艺较简单 结构灵活 可调性大 易于控制等优点 目前已有成千上 万套产品在国内外动车组 高速铁路 城市地 铁 轻轨 城市电车上已运行 抗侧滚扭杆装置 如图 1 所示 主要包括 扭杆轴 扭转臂 连杆 安装座等部件 其中 扭杆轴是主要受力部件 车体侧滚时 扭杆轴 因承受扭矩而发生扭转变形 同时提供扭转反 力矩来抵抗车体的侧滚 扭杆轴与扭转臂圆柱 过盈连接 扭杆轴采用端部镦粗 表面喷丸强 化工艺 扭转臂采用锻造或铸造加工工艺 附件附件 2 论文排版模板 论文排版模板 64 计 算 机 辅 助 工 程 2013 年 图 1 扭杆装置实物图 随着整车设计要求的不断提高 抗侧滚扭 杆装置的轻量化设计是一个必然的趋势 目前 国内外对于抗侧滚扭杆装置研制的研究非常 多 但是关于轻量化优化问题的研究相对较少 本文旨在采用优化软件对于抗侧滚扭杆装 置的扭杆轴与扭转臂部件进行轻量化分析 并 在保证不降低可靠性的前提下 达到轻量化目 的 提出相应的设计建议 由于扭杆轴与扭转 臂两种产品的结构及加工方式完全不同 本文 对扭杆轴与扭转臂分别进行了单独优化 1 扭杆轴的轻量化设计参数优化 实现轨道交通用扭杆轴的轻量化设计有两 种途径 第一种方案是选用高强度复合材料替 代钢材 但会导致材料成本显著增加 生产成 本难以控制 同时为满足产品的系统刚度要求 不能大幅度缩减扭杆轴的尺寸 因此轻量化幅 度不大 第二种方案是将扭杆轴加工成空心产 品 该方案在成本控制和操作性方面具有一定 优势 同时可以借鉴成熟空心车轴的加工经验 但是获得空心扭杆的内孔尺寸与扭杆轴强度的 相互影响关系是技术难点 本文利用 Isight软件调用 Abaqus结构分析 软件 将扭杆轴内孔尺寸参数化 对扭杆轴内 孔尺寸与其强度的影响关系进行了定量研究 来解决这一问题 1 1 参数优化分析流程参数优化分析流程 采用 Isight集成 Abaqus方式实现扭杆轴内 孔的参数优化 先采用 Abaqus 对产品进行结 构分析 然后采用 Python 脚本将 Abaqus 的分 析结果进行处理 输出扭杆轴的 总体积 第 二步运行 command 命令执行 Python 脚本 第 三步利用 Data exchanger 功能实现 总体积 的参数化 再传递给 Isight 进行试验方案设计 具体流程见图 2 图 2 Isight 轻量化分析流程 1 2 参数优化分析过程及优点参数优化分析过程及优点 本文以中间最小直径为 48mm 的扭杆轴为 研究对象进行轻量化设计 以扭杆轴的内孔半 径尺寸为变量 设计范围设为 1 23mm 如采 用常规的方法来解决此问题 需要进行多次建 模 分析 后处理 工作周期较长 对于复杂 的结构工作周期更长 本文利用 1 1 分析流程对该扭杆轴进行优 化设计 以最小体积为目标 最大应力低于材 料屈服强度为约束 经过 8 个小时的计算 完 成了 23 种方案的自动分析 得到如下 1 3 节的 结论 对比常规方法可知 Isight 优化流程可以节 约大量时间 减少重复劳动 快速得出轻量化 方案 1 3 参数优化分析结果参数优化分析结果 图 3 和图 4 分别为扭杆轴的最大应力和体 积随内孔半径的变化规律 从图 3 可知 随着 扭杆轴内孔半径的增加 最大应力呈增大趋势 最大应力在内孔半径从 1 13mm 范围变化平 缓 在内孔半径 13mm 之后增大趋势变快 在 半径为 3mm 和 11mm 时出现两个低值拐点 从图 4 可知 随着扭杆轴内孔半径的增加 总体积呈减小趋势 在最大应力小于材料屈服 强度的约束下 当内孔半径增加到 21mm 时 停止计算 此时总体积下降了 65 45 图 3 最大应力随内孔半径尺寸的变化规律 增 刊2 计 算 机 辅 助 工 程 65 图 4 总体积随内孔半径尺寸的变化规律 综合考虑不稳定参数及参数敏感因素选择 内孔半径 11mm 为最佳内孔参数 此时内孔半 径与原始结构半径比为 0 458 表 1 综合比较 了原始结构 内孔半径为 3mm 及 11mm 的体 积与最大应力 从原始结构到内孔半径 11mm 最大应力上升了 3 46 总体积下降了 17 8 优化前后具体应力分布对比见图 5 表 1 扭杆轴参数优化前后体积与最大应力对比 响应 优化前原始 结构 内孔半径 3mm 内孔半径 11mm 评估 11mm 总体积 5042170 0 49933704144560 6 下降 17 8 最大应力 526 7MPa 516 2 544 9MPa 上升 3 46 1 原始结构的应力分布云图 2 内孔半径为 3mm 时的应力分布云图 3 内孔半径为 11mm 时的应力分布云图 4 原始结构 内孔直径为 3mm 与 11mm 时扭杆轴截面应力分布 图 5 扭杆轴轻量化前后应力分布云图对比 在未来可以利用本分析流程针对系列产品 得出相应的定量变化规律 还可继续集成 Fe safe 疲劳分析软件 增加可靠性分析 对 空心扭杆轴的设计提出建议 2 扭转臂的轻量化拓扑优化分析 扭转臂的主要作用为传递力矩 根据以往 的有限元分析经验及实验测试参数可知其服役 工况并不恶劣 因此采用 Tosca 软件进行拓扑 优化来实现轻量化设计 具体分析流程如下图 6 所示 2 1 拓扑优化分析流程拓扑优化分析流程 采用 Tosca 集成 Abaqus 与 Fe Safe 方式实 现扭转臂拓扑优化 首先采用 Abaqus 对扭转 臂进行结构分析 输出 fil 文件 然后将计算结 果导入 Fe safe 进行疲劳分析 并输出 stlx 文 件 ldf 文件 第三步将以上文件及 Abaqus 生 成的 inp 文件一起导入 Tosca 软件设置优化三 要素 生成 par 文件后提交计算 图 6 Tosca 轻量化分析流程 2 2 拓扑优化分析过程及优点拓扑优化分析过程及优点 66 计 算 机 辅 助 工 程 2013 年 由于拓扑优化是产品形貌设计初期的预 想 因此设计方案因人而异 如采用常规的方 法来进行拓扑优化减重 需要根据产品设计经 验进行大量尝试 同样需要进行反复建模 分 析计算及数据处理 得到合理的结论工作周期 较长 本分析以扭转臂中间区域为设计区域 该 扭转臂为铸件 根据其凝固方向设置工艺约束 以最小体积为目标 以最大应力小于屈服强度 为约束 以最大刚度及疲劳损伤为响应 对其 进行减重设计 采用控制算法完成 15 步迭代得 到如下 2 2 的计算结果 流程设置与计算总计 约 4 小时 对比常规方法 Tosca 优化流程可大量节 约时间 在短期内获得各种优化方案的结果 2 3 拓扑优化分析结果拓扑优化分析结果 利用 2 1 拓扑优化分析流程对扭转臂进行 了轻量化设计 将计算结果光顺之后可得到如 下图 7 的几何模型 从图 8 及表 2 可知扭转臂 优化前后总体积下降 25 最大应力从 92 4MPa 上升至 333MPa 同时 Fe safe 可同步计算出产 品的剩余疲劳寿命从370万次下降到350万次 以上结论可以为产品设计提供参考 利用此分析流程可实现扭转臂产品的拓扑 优化设计 为扭转臂产品的轻量化设计提供指 导方向 下一步可利用 Isight 对结构做进一步 的参数优化 并结合具体生产工艺 得出最佳 结构 图 7 拓扑优化前后的几何结构对比 图 8 拓扑优化前后应力对比与疲劳寿命预测 表 2 扭转臂拓扑优化前后体积与应力及疲劳寿命 对比 响应 优化前 优化后 评估 总体积 2321030 1742316 下降 25 最大应力92 4MPa 330MPa 满足材料强度要求 疲劳寿命370 万次 350 万次 可为设计提供参考 3 结 论 1 本文使用 Isight Abaqus 软件对中间 直径为 48mm 尺寸的扭杆轴进行了参数优化分 析 得出扭杆轴内孔尺寸 11mm 时为最佳选择 此时最大应力比原始结构上升 3 46 同时减 重 17 8 达到了轻量化设计的优化目标 2 还使用 Tosca Abaqus Fe safe 软件 对铸件扭转臂进行了拓扑优化分析 优化后最 大应力从 92 4MPa 上升至 333MPa 减重 25 同时剩余疲劳寿命降低 5 4 可为产品轻量化 设计提供参考 综上 Isight 与 Tosca 软件可以在短期内 实现抗侧滚扭杆轴与扭转臂的参数优化及拓扑 优化设计 可为轻量化设计提供更多技术储备 参考文献 1 王京雁 卜继玲 基于 Abaqus 子模型算法的花键连接抗侧滚扭杆有限元分析 J 机车电传动 2011 6 28 31 2 吕士勇 380km h 动车组用抗侧滚扭杆系统的研制 J 铁道机车车辆 2011 6 31 15 18 3 刘文松 郭春杰 符合法铁标准的抗侧滚扭杆轴的工艺研制 J 铁道车辆 2007 7 45 10 13 4 周若湘 匡如华 抗侧滚扭杆装置在城市轨道车辆中的应用 J 铁道车辆 2001 12 39 64 计 算 机 辅 助 工 程 2013 年 5 郭红锋 繆惠勇 黄友剑等 空气弹簧及抗侧滚扭杆可靠性设计技术及应用 J 机车电传动 2009 3 6 段华东 城轨转向架抗侧滚扭杆的刚度和强度分析 J 电力机车与城轨车辆 2010 2 33 论文结束页后须附论文全部作者详细信息 包括作者出生年 民族 籍贯 省 县 职称 学历 职务 主要研究方向 E mail 通信作 者须提供手机号码 1 卜继玲 1976 男 汉 湖南浏阳 教授级高工 现主要从事系统车辆仿真分析研究工作