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某型横向橡胶止挡结构优化的设计 　　摘要： 采用多学科优化平台Isight和参数高阶网格变形软件Sculptor对某型横向橡胶止挡进行结构形状优化设计.通过Sculptor进行参数化建模，通过Isight多目标优化算法NSGAII获得合理的形状参数.采用Abaqus进行有限元计算，结果表明改进后的止挡垂向静刚度满足设计要求，结构设计合理. 　　关键词： 橡胶止挡； 优化设计； 高阶网格变形； 有限元分析 　　中图分类号： U260.35；TB115.1文献标志码： B 　　引言 　　横向橡胶止挡位于轨道车辆二系悬挂系统中，用来缓冲车体与转向架之间的横向冲击和限制过大横向位移，为二系减振提供柔性平稳的平台，确保车辆运行的平稳舒适性.[13]某型横向橡胶止挡的主要结构见图1，是采用耐磨材料，橡胶和金属硫化为一体的整体构件.由于结构的垂向刚度需进一步完善，考虑止挡的结构特征和橡胶非线性材料的大变形收敛性能差的特点，采用多学科仿真优化平台Isight和网格变形软件Sculptor优化结构形状，避免常规优化过程中网格重划分及其导致的计算不收敛问题，达到快速设计出合理止挡结构的目的. 　　图 1横向橡胶止挡结构 　　1横向橡胶止挡垂向刚度分析 　　根据公司设计大纲，该型横向橡胶止挡有3点位移处的垂向刚度设计要求，见表1. 　　表 1三点位移处的垂向刚度设计要求位移/mm101721设计刚度/ 　　（kN/mm）0.204～0.2760.425～0.5750.776～1.050 　　传统的产品设计和制造流程见图2.采用传统的设计制造流程，只有在完成样机制造后才能获知产品的刚度情况.若刚度不合格还需重新试制，对人力和物力造成较大浪费. 　　图 2传统的产品设计和制造 　　新的设计流程利用有限元软件进行虚拟样机设计，在“产品设计”与“样机制造”之间增加“样机模拟”环节，通过“样机模拟”方法在“样机制造”前对产品结构进行有效的模拟分析和充分论证，从而减少试制次数. 　　1.1建立有限元模型 　　由图1可知，横向橡胶止挡的结构和所承受的载荷都具有对称性，在求解垂向刚度时，可取1/4模型分析.建模时考虑到耐磨材料、橡胶材料和金属底座之间经过硫化工艺黏合在一起，二者之间黏合强度足够大，因此设定三者之间为“绑定”约束.同时，为提高分析效率，对底座进行简化，见图3.为使模型具有更好的分析精度，采用六面体网格进行分析，模型的耐磨材料部分采用三维八节点单元C3D8单元模拟，橡胶部分采用三维8节点杂交单元C3D8H单元模拟，金属底座部分采用三维八节点减缩积分单元C3D8R单元模拟.模型共划分为8 426个单元.图 3横向橡胶止挡三维有限元模型 　　1.2橡胶超弹性模型 　　基于连续介质力学理论，橡胶弹性材料的变形可看成是各向同性的超弹性体的均匀变形，应变储能函数可用应变不变量的多项式函数表示.对于不可压缩物体，应变能表达式[4] 为 　　1.3加载和求解 　　根据实际工况施加垂向位移，利用Abaqus对其进行分析，得到不同位移下对应的垂向刚度值. 　　1.4分析结果 　　横向橡胶止挡原结构三点位移处的刚度结果与设计要求对比见表3，垂向刚度应力分析云图见图4.根据分析结果可知，原结构的垂向刚度远小于设计的刚度要求，不能满足设计要求. 　　2横向橡胶止挡的结构优化 　　Sculptor是目前世界上唯一的基于均匀B样条技术的网格变形和形状优化工具，能够帮助仿真和优化工程师在不借助CAE重新建模的情况下，产生各种变形方案进行CAE评估和优化，省去耗时和易错的CAD建模/CAE网格重新划分的时间，提高产品研制效率和研制水平. 　　只需要变化局部区域的网格，无须重新划分网格，大大节省划网格的时间，保证网格质量，适合大规模仿真问题. 　　灵活自由的网格变形和几何修形功能：在原有的CAD模型或CAE网格上增加笛卡尔坐标或柱坐标ASD控制体，通过缩放、旋转和平移控制点的位置.精确地控制局部区域的几何外形：几何的局部变化不会影响到其他位置，更好地捕捉设计人员的意图.变形后网格边界曲率导数连续：更好地控制网格质量，特别是附面层、流动敏感区域的几何外形，可达到3阶光滑. 　　结构和流体网格共享同一套变形参数：适合进行流固耦合相关的设计优化问题. 　　2.1优化方案 　　采用Isight，Sculptor和Abaqus集成自动化方式实现横向橡胶止挡参数化优化.先采用Sculptor参数化网格模型，然后导入Abaqus对产品进行结构分析，导出支反力和位移等场变量，再通过计算器组件计算刚度，最后传递给Isight进行试验方案设计.具体流程见图5.设计变量包括底座尺寸、橡胶外缘形状和橡胶底部形状等7个变量，见图6.约束应力低于材料的屈服