【技术邻】基于优化设计的列车转向架铸造部件设计

来源：技术邻优化设计学院 

正文

行业：交通/铁路

挑战：优化现有的铸造部件设计，并以增材制造技术实现。

Altair 解决方案：基于仿真驱动设计的方法，使 用 solidThinking Inspire 进行拓 扑优化，并以 solidThinking  Evolve 进行细化

优点：减少了开发时间 ; 改进组件重量（质量降低 70%），并增加了刚度 ; 应用增材制造技术，深入洞察新的生产选择

背景介绍 

作为可持续交通的推动者，阿尔斯通专注于开发和销售铁路领域的系统、设备和服务。阿尔斯通管理着市场上最为广泛的解决方案，覆盖从高速列车到地 铁、电车，进行定制服务（维修保养，现代化，…）和提供基础设施及信号解 决方案。阿尔斯通是全球铁路系统的领导者。目前公司覆盖 60 多个国家，拥有员工 31000 人。 

在每一个行业，开发工程师努力创造最佳的制造和开发过程，以创造最好的产品。当寻找完美的结构设计解决方案时，他们必须考虑技术和经济方面的问题。仿真技术的使用让他们能够实现目标，并在整个产品的创建过程获得支持。

挑战 

对于这个特定的项目，阿尔斯通工程师的任务是改善现有的一个铸造部件的设计。他们想对这个部件进行优化，并对其专门设计，用金属增材制造的方式实现。目前该部件已应用于阿尔斯通城市列车转向架的大型机组中，用于支承防侧倾系统。在第一次部件设计中，该设计针对所发生的工作负载看起来过于强壮，根据有限元（FE）模型显示，安全系数也有点太高。

“我们对取得的成绩非常满意。我们已经实现了比之前更好的设计，可以在更短的时间内满足所有的结构要求。我们计划一直使用 solidThinking” 

——Juan Manuel Romero ，阿尔斯通巴塞罗那公司结构和计算工程师

铸造部件的原始模型

以 solidThinking Inspire 进行拓扑优化

在 solidThinking Evolve 中细化模型

以 3D 打印方式实现部件 

解决方案

作为第一步，是使用 solidThinking Inspire®进行分析，这个过程之前都是用有限元软件 Altair HyperWorks®来完成，而 Inspire 与之结果完全一致。为了提高整体设计中，同时优化材料的使用率，此时就要定义需要进行优化的空间，随后进行拓扑优化。 

经过 Inspire 多次迭代，获得根据载荷工况而定制化的解决方案，随后外部的形状使用 solidThinking Evolve®进行 细化。最后利用这个几何形状，进行详细的有限元分析以进行验证。下一步工作已经在进行中，团队已经开始筹备和分析部件，为增材制造环节做准备。为此，阿尔斯通与当地 3D 打印公司合作商议此事。    为了处理仿真任务，阿尔斯通巴塞罗那公司应用 HyperWorks 进行网格划分任务，并执行静态 FE 分析。对于优化和设计任务，工程师依靠 solidThinking 产品，主要是 Inspire 和 Evolve。这些工具帮助他们解决诸如材料问题，几何精简，以及工业流程和设计之间的调整问题等。 

在工程师开始重新设计用于支持防侧倾系统的火车转向架部件之前，他们已经对现有的设计进行了分析。由于有限元模型表明安全系数有点太高，所以又使用 solidThinking Inspire 进行了分析，获得的结果与之前完全相同。为了 在优化材料使用的同时改善整体设计，工程师增加了设计体量，以扩展优化选项。对于随后的拓扑优化，工程师首先创建了一个设计空间，然后应用负载和其他边界条件，并最终根据该输入进行优化。随着 Inspire 进行了几次迭代， 其中设计空间发生变化，团队应用了各种不同的负载情况和边界条件，开发了定制解决方案。最后，使用 solidThinking  Evolve 对外部形状进行了改进，并通过详细的 FEM 分析再次验证了该几何符合设计要求。

结论 

使用 HyperWorks 结合 solidThinking 的解决方案，阿尔斯通收到了很好的效果。“我们对取得的成绩非常满意。我们已经实现了比之前更好的设计，可以在更短的时间内满足所有的结构要求。我们计划一直使用这些工具” 阿尔 斯通巴塞罗那公司结构和计算工程师 Juan Manuel Romero 说道。 

solidThinking Inspire，solidThinking Evolve 和 Altair HyperWorks 组成的解决方案帮助工程师完成工艺和支撑结构试验。基于这种仿真驱动设计的方法，通过使用 solidThinking Inspire 和 HyperWorks，工程师可以彻底改变产品开发 的方式。结果就是，用更短的开发流程开发出了更好的产品。除此之外，重新设计过的部件较之前的设计，整体重量节省了约 70%。