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论文分享:基于Isight/Sculptor 树优公司和唐客动车组气动降阻和减重优化

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发表于 2012-10-30 18:21:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

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高速动车组受电弓导流罩多学科优化设计  2012 年SIMULIA 年会论文集

李明1,李国清,刘东亮,孔繁冰,韩璐(唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心)
赖宇阳(北京树优信息技术有限公司 www.soyotec.com, 13269252368)
张伟(DS公司)


摘 要:受电弓导流罩是改善高速动车组气动性能的重要部件。为降低高速动车组受电弓导
流罩区域的气动阻力,基于DOE 实验设计方法对优化空间均匀采样,进行了涉及气动性能、
结构强度等性能指标的多学科优化设计,然后借助多目标优化遗传算法NCGA 建立近似模
型,寻求气动阻力、结构强度综合性能最佳的导流罩结构。结果表明,最佳受电弓导流罩方
案的气动阻力相比初始方案降低2%,同时压力、变形满足设计要求。
关键字:优化,受电弓导流罩,阻力

1 前言
随着列车运行速度的提高,列车与空气间的相互作用加剧,气动阻力随列车运行速度的
平方增加,而所需功率随速度的立方增加[1]。因此,人们开始追求流线型的列车整体外形设
计。列车的整体流线型设计可分为车身的基础形状选型、整体流线型设计和局部优化设计3
个阶段。前2 个阶段往往在新车型设计前期发挥重要作用;而局部优化设计阶段则是在保证
车体整体造型风格不变的前提下,对车体的局部细节进行优化设计,在设计后期发挥至关重
要的作用[2]。本文研究的受电弓导流罩的优化设计即列车车身局部优化设计的关键环节之
一。
通过Isight 实现仿真分析流程自动化和多学科多目标优化,它提供了可视化的灵活的仿
真流程搭建平台,提供与多种CAE 分析工具的专用接口,同时提供了包括试验设计和优化
分析方法,近似模型和六西格玛设计方法等一套完整的优化软件包。利用此工具,用户以拖
拽的方式即可快速建立可视化的仿真分析流程,通过设定和修改设计变量以及设计目标,自
动进行多次分析循环,通过对比分析设计变量与产品之间的关系,深入挖掘产品性能及优化
空间 [3]。同时,通过网格变形软件Sculptor 对结构有限元模型和流体CFD 模型进行统一的参
数化建模,实现不同结构方案的网格一致性。
本文旨在通过多学科、多目标优化技术,对受电弓导流罩进行减阻优化设计,通过结构
强度和气动性能等综合指标优选最佳导流罩结构方案。本文的研究方法为动车组的局部优化
提供了一种科学、严谨的优化设计方法,对动车组设计水平的提升有积极的促进作用。
2 研究思路
受电弓导流罩的计算模型如图1 所示。作为受电弓及导流罩环境的综合体,本模型存在
以下矛盾:
(1) 导流罩高度若增加,则受电弓阻力下降、导流罩阻力增加,两者总体阻力增加或降
低需要权衡;
(2) 导流罩坡度若变缓,则受电弓阻力增加,导流罩阻力下降,两者总体阻力增加或降
低需要权衡,也存在一种最优平衡位置;
(3) 气动载荷同时影响结构强度,导流罩需要兼顾气动和结构耦合场之间的相互影响。

因此,本文的受电弓导流罩优化问题主要归结为空气动力学和结构强度问题,因此涉及
优化软件Isight 与流体分析软件(Star-CCM+)、结构分析软件(Abaqus)的接口、流体和结
构网格模型的参数化等方面的问题。本文利用网格变形软件Sculptor 对结构模型和流体模型
进行参数化建模,实现不同结构方案的网格一致性。
通过对高速动车组受电弓导流罩进行分析以及结合列车实际设计情况,确定多学科、多
目标优化方案:
优化目标 约束条件 导流罩高度变化 导流罩前展度变化导流罩厚度
min F(x) = (Df ,mass)
应力Stress< 30MPa
变形量U<6mm‐50mm ≤ DH ≤50mm ( 相对初始设计的高度)
‐50mm ≤ DX ≤50mm ( 相对初始设计的前展度度)3mm≤DT≤10mm
3 优化设计及结果分析
3.1 多学科优化设计流程
本文基于Isight 软件建立高速动车组受电弓导流罩优化设计的工作流程。利用实验设计
DOE 方法对优化空间进行均匀采样, 基于近似模型的多目标优化遗传算法
NCGA(Neighborhood Cultivation Genetic Algorithm)进行优化。由Isight 软件集成并传递
Sculptor、Star-CCM+、Abaqus 等软件的数据模型及计算结果,通过多目标遗传算法NCGA
对多目标结果进行判断,确定最优解。如果不是最优解,则返回流程起点开始新一轮寻优;
如果是最优解则停止计算。
基于以上分析,对高速动车组受电弓导流罩优化设计工作进行指标分解,如图2 所示。
拟定以受电弓导流罩高度、前展度、厚度为优化对象,以受电弓及导流罩阻力、导流罩螺栓
强度、导流罩的质量(均要求最小,以强度和变形量为约束)这三方面为目标函数,对导流
罩结构进行综合优化。

优化分析策略确定为:以导流罩的高度、前展度、结构厚度为设计参数;以导流罩结构
强度不超标作为约束;以导流罩和受电弓整体阻力(越小越好),导流罩质量(越小越好)作为
多学科优化决策的目标。
基于Isight 软件建立受电弓导流罩多学科优化仿真设计流程中,

(1)Sculptor:Isight Simcode 组件集成,流体网格、结构网格用同一组参数控制。
(2)Star CCM+:Isight Weblim 组件实现,调用hpc 计算资源,使用6 个刀片72 核计算,提取气动阻力及表面载荷。
(3)Abaqus:Isight Abaqus 组件,结构计算分析,调用本地Abaqus,4 核计算,提取
导流罩厚度及结构分析结果。

3.2 设计参数的实验设计(DOE)
DOE技术是一门以应用数学知识、统计学理论、计算机辅助建模为基础的“基于模型
优化”的前沿技术,可通过选择较好的初始设计点并确定关键设计参数,科学安排试验方案,
正确分析试验结果,尽快获得优化方案[4,5]。实验设计(DOE)可用来确定关键的设计参数,用
最少的评估次数从离散的数据集中评估出最接近优化的设计,评估每个设计变量对整个产品
性能的影响,确定重要设计变量的相互作用,分析设计空间并提供一个粗略的最优设计。
本文采用优化的拉丁方方法(Optimal Latin Hypercube)进行受电弓导流罩设计参数的
试验设计(DOE),形成设计参数矩阵。该方法是从一个随机的超拉丁立方矩阵(Latin
Hypercube Matric)开始,通过优化输入采样点的空间分布,保证设计点在设计空间的均匀
分布。
3.3 流体结构网格协同参数化及空气动力学计算
Sculptor 基于ASD(普适形状变形)方法的变形工具,极大节省几何体重建和网格重构
的时间,通过高精度和高阶光滑算法实现网格自动参数化变形,在设计优化过程中自由、实
时修改网格形状,并实现连接曲面的光滑过渡。气动、结构网格基于统一的控制体和参数控
制,支持ASD 直接相互导入,有效保证CFD/FEM 计算收敛性。网格变形后可以直接转换
为CAD 格式[4]。
利用Sculptor 在受电弓导流罩初始方案网格节点外面加上一个控制域,如图4 所示。通
过控制域上的控制点坐标系的缩放、旋转、平移,实现实时网格参数化变形。控制参数主要
是导流罩高度DH(正值:变高,负值变低)、导流罩前展度变化DX(负值向前,正值向后)
图4 受电弓导流罩网格节点控制域
受电弓导流罩的气动阻力计算在流体软件Star CCM+中完成。受电弓导流罩空气动力学
计算模型如图5 所示,导流罩进口边界条件设置为:速度入口条件,350km/h。
出口边界设置为:压力出口条件,采用一个大气压,即出口相对压力为0Pa。
车体表面、受电弓表面和计算域其余表面设置为:壁面条件,采用no-slip 条件,即无
滑移边界条件。
3.4 结构强度流固耦合计算
基于流固耦合技术,STAR‐CCM+将空气动力学流场计算结果映射为导流罩表面气压载荷
计算结果,并导出为inp格式的“单元‐载荷”文件。通过include关键字将此“单元‐荷载”文
件加载至Abaqus的inp文件中,进行导流罩结构强度的分析计算,进而提取导流罩的质量、
应力与变形。在此过程中,气动阻力与结构强度计算网格的协同一致性由Sculptor软件保证。
结构强度计算结果如图6所示。
3.5 结果分析
选择导流罩高度DH、前展度DX、导流罩厚度作为设计因子,气动阻力的计算结果主效
应图(Main Effect)如图7 所示。由图7 可以看出,气动阻力受导流罩高度和前展度影响较大,
可通过增加导流罩高度和前展度来降低气动阻力。
导流罩质量的计算结果主效应图如图8 所示。导流罩的质量受其厚度影响较大,导流罩
越厚质量越大,与导流罩高度和导流罩前展度关系不大。
图7 气动阻力的计算结果主效应图 图8 导流罩质量的计算结果主效应图
本文还建立了径向基神经网络近似模型,采用NCGA 多目标优化方法在此近似模型上
求解,可快速获得整个Pareto 解集(非劣解集),如图9 所示。也可以通过EDM 数据挖掘工
具,有效查看目标之间的权衡关系
根据本文的优化决策策略,所选取的一组设计变量如表2 所示。由结果可知,在保证应
力和变形量要求的前提下,增加导流罩高度和前展度有效降低了整体气动阻力,同时,板厚
得以降低,节省了导流罩所需材料。此处需要说明的是,由于本文空气动力学计算模型包含
了车体部位,因此受电弓及导流罩区域的减阻率显得较小,仅为2%。
4 结论
本文利用多学科优化软件Isight、流体软件STARCCM+、结构软件Abaqus 以及网格变
形工具Sculptor 对高速动车组受电弓导流罩结构进行分析和优化。通过对受电弓导流罩的高
度(DH)和前展度(DX)进行优化得到以下结论:
(1)高速动车组受电弓导流罩的优化方案,其高度相对于原方案增加22mm,前展度
增加19mm,厚度减少2mm。
(2)在满足应力和变形的设计要求前提下,优化方案的气动阻力相对于原方案降低2%,
质量降低13.3%。
(3)本文的多学科优化设计方法适用于动车组的整体和局部优化,对动车组设计水平
的提升有积极的促进作用。
参考文献
[1] 王东屏,何正凯,李明高等.动车组气动阻力降组优化数值研究[J].铁道学报,2011, 3 (10):15-18
[2] 马梦林,邓海等.空调导流罩对列车气动阻力影响的研究[J].铁道车辆,2011,49(3):5-6
[3] 李金从,邓家褆.多学科优化集成设计框架[J].现代制造工程2003(3):77-79
[4]倪计民,杜倩颖,周英杰等.DOE在高压共轨柴油机优化设计中的应用[J].内燃机学报,2009,27(3):
231-236.
[5]袁志发,周静芋.试验设计与分析[M].北京:高等教育出版杜,2000.
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