(19)中华 人民共和国 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 202111597061.7 (22)申请日 2021.12.24 (71)申请人 中车株洲电力机车有限公司 地址 412001 湖南省株洲市石峰区田心高 科园 (72)发明人 蒋忠城　沈龙江　康巍　万平　 周礼　王先锋　张波　李登科　 刘晓波　周鹏　 (74)专利代理 机构 长沙正奇专利事务所有限责 任公司 431 13 代理人 王娟 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 碳纤维复合材 料车体结构及其设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种碳纤维复合材料车体结 构及其设计方法， 将设计空间、 非设计空间、 约束 条件、 计算工 况、 优化目标作为仿真软件的输入， 创建车体拓扑优化结构模型； 利用变密度法对所 述车体拓 扑优化结构模型进行迭代计算， 获得满 足约束条件和工况要求的不同材料利用度下的 车体结构传力路径， 根据所述传力路径获得最优 的车体结构构型。 本发明给出了输入参数的设计 方法， 确保可 以获得所需结构构型， 提高了仿真 效率以及仿真精度。 权利要求书2页 说明书9页 附图5页 CN 114329773 A 2022.04.12 CN 114329773 A 1.一种碳纤维复合材 料车体结构设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 将设计空间、 非设计空间、 约束条件、 计算工况、 优化目标作为仿真软件的输入， 创 建车体拓扑优化结构模型； S2、 利用变密度法对所述车体拓扑优化结构模型进行迭代计算， 获得满足约束条件和 工况要求的不同材料利用度下的车体结构传力路径， 根据所述传力路径获得最优的车体结 构构型， 所述构型包括承力骨架和承力面板； 其中， 所述设计空间包括设计空间的外界面和设计空间的内界面； 所述设计空间的外 界面为车体 设计尺寸的M倍， 同时不超过车辆运行限界； 所述设计空间的内界面设定为车体 设计内表面向内延伸Km m； 所述非设计空间包括与车体相连的所有设备、 组件的接口； 所述计算工况包括保障车辆安全运行的所有外 部载荷和约束； 所述约束条件包括： 车体减重比率、 整车超载工况下最大位移条件、 整车模态频率避开 悬浮架沉浮频率； 所述最大位移的选取为车钩处的纵向位移， 以及车体边梁中部垂向位移； 所述整车模态频率避开悬浮架沉浮频率定义为优化后的车体一 阶垂向弯曲模态同时满足 两个条件， 即整 车模态频率与悬浮架 浮沉频率之差不小于2Hz， 以及 整车模态频率大于悬浮 架浮沉频率的N倍； 优选地， 最大位移与车体减重比率之间符合如下公 式： D＝0.8*d/(1 ‑s)； 其中， D为允许的最大位移， d为车体结构的最大位移， s为车体减重比率； 所述优化目标设定为车体在所有工况 下加权刚度最大； 所述承力面板为多层结构面板 。 2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料车体结构设计方法， 其特征在于， M＝1.1～ 1.2； K＝5 0～60； 所述车体减重比率设置为20％～40％； N ＝1.32。 3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料车体结构设计方法， 其特征在于， 所述工况包 括主要工况、 次要工况和正常运行工况， 各工况的加权系数分别设定为： 主要工况系数为 1， 次要工况系数为0.6 3， 正常运行工况系数为0.45 。 4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材 料车体结构设计方法， 其特 征在于， 还 包括： S3、 创建车体强度模型、 车体噪声模型、 车体防火仿真模型； 将车体强度模型， 车体噪声 模型， 车体防火仿真模型接入基于Isight软件的仿真计算平 台， 选取强度、 噪声、 防火指标 的关联参数， 将最优的车体结构构型 的承力骨架的梁筋板厚范围、 承力多层面板的各层板 厚范围作为仿真计算平台的输入设计变量， 以整车刚度、 强度、 疲劳、 模态、 噪声声压级、 热 释放速率、 烟气蔓延 速率的限制条件为约束， 以车体重量、 隔声和防火的加权指标值为设计 目标， 建立强度、 噪声和防火联合仿真模型； S4、 将所述联合仿真模型中的参数组合作为最优超拉丁法的输入参数， 获得特征样本 空间， 对所述特征样本空间进行敏度分析， 缩减特征样本空间变量维度， 获得最优样本空 间； 基于最优样本空间建立优化代理模型； S5、 调用粒子群算法， 在所述优化代 理模型的输入和输出组合中进行寻优， 确定最优的 组合方案； 优选地， 步骤S3中所述车体强度模型的创建过程包括： 以碳纤维层的厚度和材料属性， 泡沫层、 阻尼层和胶层的厚度和材料属性为Optistruct软件的输入参数， 以车体结构的静 强度、 疲劳强度、 刚度、 模态为输出参数， 获得 所述车体强度模型；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114329773 A 2优选地， 以材料隔声量、 材料吸声系数、 声源频谱、 声源位置为VA ‑one软件的输入参数， 以车内和车外的噪声声压级为输出参数， 获得所述车体噪声模 型； 优选地， 以材料的热物 性 参数、 火蔓延参数为FDS软件的输入参数， 以车体的热释放速率、 温度场分布、 烟气蔓延特性 为输出参数， 获得 所述车体防火仿真模型； 优选地， 步骤S3中， 所述关联参数包括： 多层承力面板各层板厚， 承力骨架中与对应层 面板夹角小于 60°的筋板板厚； 优选的， 步骤S3中， 车体重量、 隔声和防火的加权指标值的获取过程包括： 对车体重量、 隔声指标和防火指标进 行归一化处理， 对归一化处理后的值加权， 即得到所述加权指标值； 所述加权系数为： 防火系数0.4～0.6， 重量系数0.2 ～0.4， 噪声系数0.1～0.3 。 5.一种碳纤维复合材料车体结构， 包括多块承力面板和多根用于支撑所述多块承力面 板的承力骨架； 其特征在于， 所述承力面板包括阻尼层； 所述阻尼层两面各与一泡沫层贴 合， 所述泡沫层远离所述阻尼层的一面与碳纤维层贴合； 其中， 所述阻尼层、 泡沫层、 碳纤维 层的厚度、 承力骨架的梁筋板厚均根据权利要求1～4之一所述的方法确定 。 6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料车体结构， 其特征在于， 所述泡沫层采用剪切 模量不高于60MPa的泡沫材 料； 所述阻尼层采用苯乙烯系热塑材 料。 7.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料车体结构， 其特征在于， 所述多块多层承力面 板包括司机室弧形面板(10)、 车体中间U型顶侧面板(11)、 端墙面板(12)、 底架面板(13)； 所 述司机室弧形面板(10)端部与所述车体中间U型顶侧面板(11)一端部固定连接； 所述车体 中间U型顶侧面板(11)另一端部与端墙面板(12)固定连接； 所述司机室弧形面板(10)底部、 车体中间U型顶侧面板(1 1)底部、 端墙面板(12)底部均 与所述底 架面板(13)固定连接 。 8.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料车体结构， 其特征在于， 所述司机室弧形面板 (10)、 中间U型顶侧面板(11)、 端墙面板(12)的内表面以及底架面板(13)的内、 外表面均喷 涂有水系防火阻尼涂层。 9.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料车体结构， 其特征在于， 所述承力骨架的梁筋 包括设置于司机室弧形面板(10)底部的司机室端梁筋(1)， 对称设置于司机室弧形面板 (10)顶部左右两侧的司机 室弧形分叉支撑筋(2)， 包绕车体中间U型顶侧面板(11)及底架面 板(13)的多个封口式U型支撑筋骨(3)， 沿车体纵向延伸且设置于中间U型顶侧面板顶部的 顶盖边梁筋(4)、 连接车体底部所有面板的底架边梁筋(5)、 设置于端墙面板(12)上下两端 的端墙横筋(6)、 设置于端墙面板(12)左右两侧的端墙竖筋(7)、 设置于中间U型顶侧面板上 的连接相 邻两个U型支撑筋骨的侧墙横筋(8)和多个竖向设置于中间U 型顶侧面板上的侧墙 竖筋(9)。 10.一种碳纤维复合材料车体结构， 其特征在于， 该车体结构的设计参数采用权利要求 1～4之一所述方法确定 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114329773 A 3