(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 202211032376.1 (22)申请日 2022.08.26 (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　陈晨　岳书静　 尹高冲　 (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 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 113/26(2020.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 111/08(2020.01) (54)发明名称 轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法 及系统 (57)摘要 本发明提供了一种轨道交通车辆复合材料 结构虚拟分析方法及系统， 属于轨道交通技术领 域。 所述虚拟方法， 包括： 根据轨道交通结构特点 及复合材料的物理和力学等特性做出的基本规 定、 虚拟模型建立规则方法、 材料参数表征获取 方法和试验矩阵、 载荷边界施加方法、 虚拟模型 检查方法、 强度分析流程、 结果输出及结果评估。 本发明实现了轨道交通复合材料结构的虚拟分 析验证和输出评估， 解决了大型复合材料轨道交 通装备结果仿真精度低的问题， 验证评估精度达 到了工程要求， 有效增加了全尺 寸强度试验一次 性通过概率， 降低了 研发试验成本 。 权利要求书5页 说明书15页 附图4页 CN 115391947 A 2022.11.25 CN 115391947 A 1.一种轨道交通车辆复合材 料结构虚拟分析 方法， 其特 征在于： 包括以下 过程： 配置轨道交通装备复合材料结构虚拟分析的要求， 包括： 配置基础要求、 单位制和坐标 系； 根据轨道交通车辆复合材料结构参数建立虚拟分析模型， 包括： 构建几何拓扑模型， 选 择单元类型和单元阶次， 配置网格疏密， 进 行网格划分， 配置属性， 配置失效准则， 施加载荷 边界条件； 根据虚拟分析模型， 进行轨道交通复合材 料结构的虚拟测试并生成虚拟测试 结果。 2.如权利要求1所述的轨道 交通车辆复合材料结构虚拟分析方法， 其特征在于： 配置基 础要求， 包括： 薄板或薄壳复合材料结构， 选取壳单元； 厚板结构或需要分析层间应力的结构， 采用实 体单元， 且沿厚度方向单 元数量满足设定阈值； 在关注部位有限元分析精度 大于或等于设定值的前提下， 简化结构的几何模型细节特 征； 根据机械产品几何模型、 属性、 载荷及约束特点以及有限元分析的类型和目的， 选择单 元的类型； 粗化应力缓慢变化区域， 细化应力急剧变化区域； 粗 化不关注区域， 细化关注区域； 根据分析类型和试验结果采用积木式方法进行分析模型和计算结果评估； 当连续纤维方向变化大于设定度数时， 进行铺覆模拟修 正铺层角度。 3.如权利要求1所述的轨道 交通车辆复合材料结构虚拟分析方法， 其特征在于： 配置坐 标系， 包括： 坐标系由右手定则确定， 采用笛卡尔 坐标系、 柱坐标系或球坐标系， 有限元分析建模时 应定义全局坐标系， 当模型建模、 载荷、 约束或结果显示需求与全局坐标系不一致时， 增加 局部坐标系； 配置几何模型所参照的总体坐标系， 以使得数模导入到分析软件之后零件的位置和方 向与制图软件中一 致； 配置局部坐标系表征一个层压板的铺层方位， 局部坐标系的x轴指向层压板0 °铺层的 纤维走向， z轴与铺 层的铺贴堆栈方向一 致， y轴按照右手定则确定； 配置材料坐标系， 每个单层中的材料坐标系x轴与该层纤维走向一致， z轴与层压板堆 栈方向一致， y轴由右手定则确定； 通过堆栈方向、 铺层角度合铺层参考坐标系确定材料坐 标系。 4.如权利要求1所述的轨道 交通车辆复合材料结构虚拟分析方法， 其特征在于： 构建几 何拓扑模型， 包括： 按1： 1的比例 关系建立几何模型， 其中， 长细比大于8的结构， 选取中间轴线构建； 典型 结构尺寸与壁 厚比值大于10的结构， 选取中面构建； 不适合采用线、 面构建的结构以及结构 的关键部位， 采用实体构建。 5.如权利要求1所述的轨道 交通车辆复合材料结构虚拟分析方法， 其特征在于： 选择单 元类型和单 元阶次， 包括： 对主要承受面内载荷， 长厚比大于设定值的层压板结构且不需要分析层间应力时， 选权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115391947 A 2择二维单 元； 当层压板结构所受法向力不可忽略、 横向剪切效应大于设定值或关注层间应力或者关 注局部区域的应力时， 采用三维单 元； 对于需要关注胶 层结构应选择内聚力单 元或者采用粘性接触； 对于夹层结构， 选择三维单 元； 如果面外应力忽略不计， 使用二维单 元； 复合材料的紧固件连接采用一维单元进行模拟， 如果连接是至关重要的采用三维单 元； 当结构形状不规则、 变形和应力分布复杂时选用高阶单元， 计算精度大于设定值的区 域宜选用高阶单 元； 精度要求小于设定值的选用低阶单元， 不同阶次单元的连接位置应使用过渡单元或多 点约束。 6.如权利要求1所述的轨道 交通车辆复合材料结构虚拟分析方法， 其特征在于： 配置网 格疏密， 至少包括： 进行网格疏密控制的设置， 对结构变化大于设定值、 曲面曲率变化大于设定值、 载荷变 化大于设定值和不同材 料连接的部位进行细化； 粗细网格过渡采用三角形单元过渡或MPC方式过渡， 应力响应关注区域的网格密度大 于位移响应关注 区域的网格密度， 主承力方向的单元尺寸小于设定值， 垂直于该方向的单 元在满足质量要求时将尺寸 放大。 7.如权利要求1所述的轨道 交通车辆复合材料结构虚拟分析方法， 其特征在于： 进行网 格划分， 包括： 网格划分时保留主要的几何轮廓线， 网格与几何轮廓保持一致或者差异在设定范围 内， 对于实体单元网格， 在结构厚度方向上确保三层以上， 或者在 满足求解精度情况下减少 层数； 对称结构应确保铺层属性与实际结构一致， 当层压板存在丢层时应按丢层线划分网 格， 以使得每 个部件的单 元法向一 致。 8.如权利要求1所述的轨道 交通车辆复合材料结构虚拟分析方法， 其特征在于： 配置属 性， 包括： 复合材料结构属性包括单层材料属性、 单层铺层厚度、 单层铺层角度、 铺贴方向和 铺层顺序； 配置单层级材料许用值试验矩阵、 夹层结构试验矩阵、 胶层材料参数试验矩阵、 机械连 接挤压强度试验矩阵、 单层 铺层弹性材 料参数和网格质量检查标准。 9.如权利要求8所述的轨道 交通车辆复合材料结构虚拟分析方法， 其特征在于： 单层材 料属性使用各向异 性线弹性材料模拟复合材料层合板的材料属性， 材料属性采用单层级的 材料许用值， 材 料属性包括： 0°或经向和90 °或纬向拉伸弹性模量和强度； 0 °或经向和90 °或纬向压缩弹性模量和强 度； 主泊松比； 纵横剪切弹性模量和强度； 0°或经向与90 °或纬向拉伸、 压缩强度、 纵横剪切强度取B基准值， 弹性模量取拉伸与压 缩弹性性能的平均值， 主泊松比取平均值。 10.如权利要求9所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法， 其特征在于： 单层 级材料许用值的确定， 包括：权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115391947 A 3