(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210893508.3 (22)申请日 2022.07.27 (71)申请人 中车成型 科技 （青岛） 有限公司 地址 266109 山东省青岛市城阳区棘洪滩 街道春阳路西端动车小镇科技馆104 (72)发明人 侯帅昌　赵英男　尹高冲　岳书静　 王坤　 (74)专利代理 机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 372 21 专利代理师 祖之强 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 113/26(2020.01)G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 混合材料车体工程化轻量化方法及系统 (57)摘要 本发明涉及轨道交通技术领域， 提供了一种 混合材料车体工程化轻量化方法及系统； 通过自 由尺寸优化 分析传力路径中材料方向布置， 解决 了车体结构中材料选型特别是各向异性复合材 料和各向同性金属材料的选型布置、 构件选型布 置及布置缺乏系统科学方法及轻量化概念优化 难以工程化的问题， 将合适性能和成本的材料运 用到结构合适的位置， 极大的提高车体结构轻量 化水平， 并将有助于车辆模块化和功能一体化的 工程实现。 权利要求书2页 说明书8页 附图2页 CN 115169008 A 2022.10.11 CN 115169008 A 1.一种混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 包括以下 过程： 结合车体结构参数构建车体结构的初始有限元基础模型， 对初始有限元基础模型进行 自由尺寸优化； 根据自由尺寸优化后的模型得到车体结构单元厚度分布， 根据 车体结构单元厚度分布 确定主载荷传力路径 区域、 弱载荷传力区域和非载荷传力区域， 根据车体结构区域对上述 三类区域分别划分子区域； 结合各传力路径每一角度铺层的厚度、 形状及定位， 确定各子区域各角度铺层占比及 方向， 进而确定主载荷传力区域及弱载荷传力区域形状、 定位、 方向及材料类型， 进行各子 区域的构件布置并结合构件刚度要求， 得到混合材 料车体结构骨架； 依据功能及制造工艺对混合材料车体结构骨架进行功能集成及模块化拆分， 得到功能 化模块化的混合材 料车体。 2.如权利要求1所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 根据车体结构参数构建车体结构的初始有限元基础模型， 包括： 初始有限元基础模型包括壳单元， 对基础模型设置复合材料属性及复合材料铺层角 度， 定义铺层角度的参考方向， 轨道0 °方向为车体的纵向方向， 在0 ° ‑180°划分至少两个区 域。 3.如权利要求2所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 铺层角度将铺 层平面空间至少划分为四个区域。 4.如权利要求1所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 根据设计标准或实际运营载荷工况设置主要边界条件和主要载荷工况， 选择端部压 缩、 纵向载荷、 垂向载荷为主 要载荷工况。 5.如权利要求1所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 对初始有限元基础模型进行自由尺寸优化， 包括： 优化响应至少包括： 质量、 质量分数、 体积、 体积 分数、 柔度、 频率、 位移、 应力、 应变、 力、 复合材料响应、 加权柔度、 加权频率、 柔度指数、 频率响应、 分析响应、 自定义函数中的一项 或多项； 目标策略为需要优化的响应函数， 响应函数是设计变量的函数， 设计变量包括但不 限 于材料性能参数、 铺 层角度、 铺 层厚度、 铺 层顺序及几何构型尺寸中的一种或多种。 6.如权利要求1所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 各传力路径每一角度铺 层的厚度、 形状及定位， 包括： 对区域铺层总厚度按照铺层角度进行拆分， 分别得到各传力路径每一角度铺层的厚 度、 形状及定位。 7.如权利要求1所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 确定各子区域各角度铺 层占比及方向， 包括： 判断各子区域铺层是否是以单向铺层为主， 如是， 则确定为复合材料构件； 否则， 优先 确定为各向同性材料， 或者准各向同性材料构件， 或者根据得到的各子区域铺层占比及方 向进行材料布置。 8.如权利要求7 所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115169008 A 2以单向铺 层为主， 包括： 某一子区域中某一方向的辅层占此子区域的所有辅层数量的比例大于或者 等于50％。 9.如权利要求1所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 若某一子区域由各方向铺层共 同组成， 各铺层占比皆大于预设比例， 则该子区域布置 为各向同性材 料。 10.如权利要求1所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 根据各子区域的厚度及材 料等效弹性模量属性确定每 个构件需要达 到刚度要求。 11.如权利要求1所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法， 其特 征在于： 构件的截面形状及所需刚度采用有限元子模型的方法及提取有限元截面力的方式确 定。 12.一种混合材 料车体工程 化轻量化系统， 其特 征在于： 包括： 自由尺寸优化模块， 被配置为： 结合车体结构参数构建车体结构的初始有限元基础模 型， 对初始有限元基础模型进行自由尺寸优化； 区域划分模块， 被配置为： 根据自由尺寸优化后的模型得到车体结构单元厚度分布， 根 据车体结构单元厚度分布确定主载荷传力路径 区域、 弱载荷传力区域和非载荷传力区域， 根据车体结构区域对上述 三类区域分别划分子区域； 混合材料车体结构骨架生成模块， 被配置为： 结合各传力路径每一角度铺层的厚度、 形 状及定位， 确定各子区域各角度铺层占比及方向， 进而确定主载荷传力区域及弱载荷传力 区域形状、 定位、 方向及材料类型， 进行各子区域的构件布置并结合构件刚度要求， 得到混 合材料车体结构骨架； 混合材料车体生成模块， 被配置为： 依据功能及制造工艺对混合材料车体结构骨架进 行功能集成及模块 化拆分， 得到功能化模块 化的混合材 料车体。 13.一种计算机可读存储介质， 其上存储有程序， 其特征在于， 该程序被处理器执行时 实现如权利要求1 ‑11任一项所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法中的步骤。 14.一种电子设备， 包括存储器、 处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程 序， 其特征在于， 所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1 ‑11任一项所述的混合材料 车体工程 化轻量化方法中的步骤。 15.一种轨道交通车辆底架结构， 其特征在于： 采用权利要求1 ‑11任一项所述的混合材 料车体工程 化轻量化方法设计。 16.一种轨道交通车辆， 其特征在于： 采用权利要求1 ‑11任一项所述的混合材料车体工 程化轻量化方法设计。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115169008 A 3