(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 202210891462.1 (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　岳书静　尹高冲　 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 111/20(2020.01) G06F 113/26(2020.01)G06F 119/14(2020.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 轨道交通车辆混合材料拓扑轻量化方法及 系统 (57)摘要 本发明提供了一种轨道交通车辆混合材料 拓扑轻量化方法及系统， 属于轨道交通技术领 域； 本发明采用大尺寸结构的几何配置优化， 并 在此基础上进一步进行轻量化拓扑优化， 并对优 化结果进行载荷路径区域划分； 本发 明解决了车 体结构中空间几何配置和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以及轻 量化概念优化难以工程化的问题， 充分的发挥了 复合材料的各向异性性能， 根据车体结构应力状 态进行材料和结构构型配置， 将合适性能和成本 的材料运用到结构合适的位置， 极大的提高了车 体结构轻量化水平， 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5页 CN 115238387 A 2022.10.25 CN 115238387 A 1.一种轨道交通车辆混合材 料拓扑轻量化方法， 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 几何配置优化和拓扑优化； 根据拓扑优化后的有限元模型得到车体结构单元密度分布， 进而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； 结合各子区域应力 状态以及主应力大小和方向， 确定各主载荷传力区域以及弱载荷传 力区域的形状、 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所述的轨道 交通车辆混合材料拓扑轻量化方法， 其特征在于： 对初始有 限元基础模型进行几何配置优化和拓扑优化， 包括： 根据不同的优化变量， 对初始有限元基础模型进行几何配置优化， 得到各个优化变量 对应的有限元模型； 对各个优化变量对应的有限元模型进行求解， 根据求解后优化目标的对比得到最佳几 何配置有限元模型； 对最佳几何配置有限元模型进行拓扑优化， 得到 拓扑优化后的有限元模型。 3.如权利要求2所述的轨道交通车辆混合材料拓扑轻量化方法， 其特征在于： 优化变 量， 至少包括： 车门距离车端的距离、 车窗的数量、 车窗的大小、 车窗的排布和车下设备的排 布位置。 4.如权利要求2所述的轨道 交通车辆混合材料拓扑轻量化方法， 其特征在于： 拓扑优化 的优化响应至少包括： 质量、 质量分数、 体积、 体积分数、 柔度、 频率、 位移、 应力、 应变、 力、 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； 拓扑优化的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 为单元密度。 5.如权利要求1所述的轨道 交通车辆混合材料拓扑轻量化方法， 其特征在于： 对拓扑优 化后的有限元模型修正得到最终拓扑优化有限元模型， 对最 终拓扑优化有限元模型按照设 计标准工况进行验证求解， 结合验证求解结果， 根据各子区域应力状态以及主应力大小和 方向， 确定各主载荷 传力区域以及弱载荷 传力区域的各子区域的材 料类型和构件布置 。 6.如权利要求1 ‑5任一项所述的轨道交通车辆混合材 料拓扑轻量化方法， 其特 征在于： 各主要载荷工况下某一子区域主要为单向应力状态， 某一主应力处于主导地位， 因此 子区域采用各向异 性复合材料， 纤维方向沿单向应力方向或者与单向应力方向的偏差在预 设角度范围内， 并兼具均衡对称， 并根据子区域单元厚度和材料力学属 性确定该子区域构 件的等效刚度； 各主要载荷工况下某一子区域应力状态主要为双轴应力状态， 并非某一主应力主导， 该子区域构件采用金属材料， 或准各向异性的复合材料承力， 或按应力状态方向布置纤维 主要方向并兼顾均衡对称。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115238387 A 27.如权利要求6所述的轨道 交通车辆混合材料拓扑轻量化方法， 其特征在于： 主要载荷 工况至少包括： 端部 压缩、 纵向载荷和垂向载荷。 8.如权利要求6所述的轨道 交通车辆混合材料拓扑轻量化方法， 其特征在于： 各主要载 荷工况下某一子区域主要为单向应力状态， 包括： 全部主要载荷工况下的应力状态中， 单向 应力状态占比大于或等于 50％。 9.如权利要求6所述的轨道 交通车辆混合材料拓扑轻量化方法， 其特征在于： 各主要载 荷工况下某一子区域应力状态主要为双轴应力状态， 包括： 全部主要载荷工况下 的应力状 态中， 双轴应力状态占比大于或等于 50％。 10.如权利要求1所述的轨道交通车辆混合材料拓扑轻量化方法， 其特征在于： 在对初 始有限元基础模型进行几何配置优化和拓扑优化之前， 还 包括： 根据设计标准或实际运营 载荷工况设置边界条件、 载荷工况及合格判据。 11.如权利要求1所述的轨道交通车辆混合材料拓扑轻量化方法， 其特征在于： 根据构 件所在子区域的厚度及材 料模量属性确定每 个构件刚度要求。 12.一种轨道交通车辆混合材 料拓扑轻量化系统， 其特 征在于： 包括： 模型优化模块， 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几何配置优化和拓扑优化； 区域划分模块， 被配置为： 根据拓扑优化后的有限元模型得到车体结构单元密度分布， 进而确定主载荷传力 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： 结合各子区域应力状态以及主应力大小 和方向， 确定各主载荷传力区域以及弱载荷传力区域的形状、 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任一项所述的轨道交通车辆混合材 料拓扑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任一项所述的轨道交通 车辆混合材 料拓扑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任一项所述的轨道 交 通车辆混合材 料拓扑轻量化方法设计。 16.一种轨道交通车辆， 其特征在于： 采用权利要求1 ‑11任一项所述的轨道交通车辆混 合材料拓扑轻量化方法设计。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115238387 A 3