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高速列车车门的性能分析
作者:南京信息工程大学 袁安富
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铁路与轨道交通展厅
铁路养护工具, ...
一、引言

随着计算机的迅速发展,产品的设计、生产方式都发生着变化,以前只能靠手工完成的工作,现在几乎均可借助计算机完成,而以前无法完成或很难完成的工作,现在也可借助计算机的高速运算能力完成。每个企业都希望自己的产品能得到顾客的青睐,能最大限度地占领市场,但由于市场竞争的激烈性和残酷性,真正要做到这些非常困难。因此,怎样以最快的速度、最低的成本对市场的瞬息万变做出反应,是企业经营者需要不断思考的问题,也是关系到企业发展的问题。

二、问题的提出

针对交通运输而言,铁路运输是每个国家的运输大动脉,而高速列车的发展是我国铁路运输发展的主流。当列车关上车门后,运行过程中车门的密封性使车门内外两侧产生了一个压力差,压力差作用在车门上会使车门产生一定的变形,车速越快,变形量就越大。另外,当两辆高速运行的列车相向运行时,这个压力差会陡然增加,这时车门的变形量将会达到最大值。因此,制造厂商必须了解车门的实际工作情况(如车门的受力、变形情况),以保证自己的产品在实际使用过程中工作状态良好。

考虑到重量和强度,一般列车车门均采用复合结构。在高速列车上(本文中的列车运行速度为270Km/h),要求列车车门具有隔音、隔热功能以保证车厢内部的舒适性,但当列车高速运行时,车厢内外的压力差会使车门发生变形,一旦变形量大于车门自身的补偿值时,车门就无法起到隔音、隔热效果。因此,事先根据列车的运行情况模拟车门的变形量,才能更加合理地设计车门的具体结构。

本文中的车门共由五层材料组成,周围有门框,上方设有观察用的玻璃窗。在五层材料中,最外面、最里面均为铝合金,与铝合金相接的为蜂窝结构层,中间层为聚乙烯,层与层之间用一种特殊的胶粘结,以保证各层之间变形的连续性。上述材料的内部结构和性能各不相同,既有金属材料又有非金属材料,既有各项同性的又有正交异性的。

三、计算模型的建立

车门的计算模型,如图1所示。


图1 计算模型

根据该门的实际结构,本文采用了三种Element Type:

(1)门框采用了Beam189(图1中B所示);
(2)门板采用了Shell99,层数为3层(图1中A所示);
(3)玻璃窗选用了Shell91(图1中C所示)。

其中,Beam189的节点数为3,自由度为6至7;Shell99和Shell91的节点数均为8,自由度均为6。

四、受力和约束情况

车门的实体模型,如图2所示。


图2 车门的实体模型

因车门需要与车身连接,本文假设车身是固定不动的。根据图纸的要求,在车门两侧,分别用钩子将车门拉住(图2中A、B、C和D处),以免在列车运行中脱落。在车门上方,设有一个横梁(图2中E处),其上设有气缸,门的开启、关闭均由气缸完成。

根据车门的上述约束情况,设定车门的坐标轴,即沿门纵向方向为X轴,沿门横向方向为Z轴,沿门法向方向为Y轴。

根据上述设定,本文中车门A、B、C和D处存在Y向约束,E处存在全约束。

在列车运行过程中,整个列车处于全封闭状态,车厢内外存在一个压力差,压力差作用在整个车厢上,因此也作用在车门上。这个力的特点为均匀分布,从力作用的角度而言,是一个均布载荷,方向沿Y轴。另外,在列车运行前,为了使车门能紧贴车身,在图2中的A、B、C、D和E处均有一个预紧力,方向也沿Y轴。

根据车门的实际受力情况,它的载荷分布如下:

(1)在图2中的A、B、C、D和E处分别有一个沿Y轴方向的作用力;
(2)在整个车门上,有一个沿Y轴方向的均布力;
(3)车门的自重的作用方向为沿X轴方向。

五、求解思路及步骤

从受力和变形的角度而言,列车分为静止状态、正常运行状态和列车交汇状态三个工作状态。车门必须在每个状态中都能良好地工作,才达到了设计的预期目的,因此有必要分别对上述三个状态的变形进行计算。

1.建立等效截面

本文涉及的车门材料的实际结构非常复杂,采用实际截面进行计算将非常困难,甚至会因相邻尺寸变化

梯度太大而无法进行网格划分。因此,本文对截面进行了简化,提出了等效截面的概念。

采用等效截面的主要依据是,生成的等效截面在受力时表现出来的力学性能(惯性矩和惯性积)与原始截面相同,从而达到简化复杂截面的目的。

通过求解下列非线性方程组,求出等效截面的相关参数,如公式(1)所示。

在上述方程组中,S、Ixx、Iyy、Ixy、Xc和Yc分别为截面的面积、惯性矩、惯性积和截面形心坐标,t1、t2、t3、t4、W1和W2分别为待求的等效截面的各项参数。

从上述方程组可以看出,四个方程组有六个变量,这就需要根据实际情况,事先设定两个变量的值,再求出另外四个变量的值,直至所求六个变量的值均合理为止,因此在具体计算过程中,经验起到了一定的作用。

2.设置载荷步

由于在列车启动前,车门已施加了预紧力,因此,首先要计算车门在预紧力的作用下的变形分布情况。本文设三个工作状态,即三个载荷步,每个状态的约束、受力情况均不同,三个载荷步分别为:

(1)列车速度为零;
(2)列车速度为75m/s,即正常行驶状态;
(3)两列列车分别以75m/s的速度相向行驶,即两车交汇。

3.计算

在本文计算中,考虑到列车在行驶过程中,每一节车厢的受力、变形情况都相同,因此在计算中取2节车厢作为研究的对象。同时,将列车周围的空气作为一个大流场,随着列车的运行,不同时刻的空气流场是不同的,为了保证计算结果的可靠性,要求空气流场足够大。在本文中,列车前方的空气流场尺寸取车厢尺寸的100倍,后方取35倍,左、右两侧取60倍,这个模型网格化后节点数非常大,为了节省机时,靠近车厢的区域,网格化的密度大一些,远离车厢的区域,网格化的密度小一些。

由于列车的速度为270Km/h,与音速相差较远,而两车交汇的情况下,相对速度为540Km/h,还是与音速相差较远小,因此,假设研究对象为不可压缩流场,并且作为无升力物体绕流进行处理。根据流体力学理论,对于二维不可压缩无粘性流体而言,它们的势函数Φ和流函数ψ均应满足拉普拉斯方程,如公式(2)所示。

势函数和流函数分别满足下列边界条件,如公式(3)所示。

公式(3)中的 和 分别为Γ2边界上的切向和法向速度。

在具体计算时,为简化计算,采用稳态分析方法,用ANSYS软件的耦合算法,并根据上述要求代入相应的边界条件。

六、结果及结果分析

上述模型经过网格化后,节点总数为42978,单元总数为14925,三个载荷步的计算结果,如图3~图5所示。


图3 第一载荷步的Y向位移分布图


图4 第二载荷步的Y向位移分布图


图5 第三载荷步的Y向位移分布图

通过上述计算,得到的结果与实际测试结果相比,变形分布的趋势是一致的,但在具体的数值上还存在一定的差距,笔者认为造成差距的原因有如下两方面。

(1)模型与实际车门的误差

从受力变形的角度考虑,尽管壳单元的节点与梁单元的节点已经耦合在一起了,但模型的工作状态与门的实际工作状态相比仍有差距。另一方面,在模型计算中,特别是Shell99复合壳层的计算中,层于层间的交接面情况与实际车门的工作状况也存在一定差异,还有实际材质的均匀程度等原因,这些均会造成两者的差异。

(2)材质特性的误差

在计算过程中,壳单元中涉及到的各种材质的性能常数,很大部分是从材料手册中提取的经典系数,有些是经验数据,这些数值与实际材料数值间存在差异。特别是本文用到了一些非金属材料和正交异性材料,这些材料的材料性能的最小值与最大值相差很大,某些性能又很难测定,确定这些材料的特性系数比较困难。

另外,本题中的壳单元作为复合材料进行处理,复合材料的力学特性很复杂,如各项异性性、材质的不均匀性、较低的层间剪切模量/剪切拉伸强度以及一定程度的非线性等。当不考虑层间应力σz、τzl和τzT间的相互作用时,可采用强度准则考虑层间应力间的相互作用,以及确定是否发生层裂,如公式(4)所示。

在公式(4)中,Zt、Zc分别为层间的拉伸和压缩强度,S’、S”则分别为对应于τZL、τZT的层间剪切强度。而实际上,由于多种原因造成复合材料层间强度较低,在力的作用下往往会出现局部裂纹,这也是产生误差的原因之一。

对于聚合物的非金属材料而言,由于材料的纤维粒度、各种材料成分的均匀性以及制造过程中的各种工业参数的不稳定,造成了材料本身的不均匀性和材料常数的离散性,这在一定程度上也影响了计算精度,硬质泡沫塑料弹性模量与纤维含量的关系,如图6所示。


图6 聚氨酯泡沫的弹性模量与连续纤维含量的关系

七、结束语

把计算与实测进行比较,通过分析计算,可以估测整个车门的变形分布,虽与实测存在一定差距,但只要不断改进,应该可以得到令人满意的结果。

另外,如有可能对这个模型进行瞬态分析,并从瞬态分析中求出车门的变形量,那么得到的结果会更具有说服力,但由于多种原因,目前还没有完成这一步。

(注:本文所得结论是与康尼公司相关科技人员通力合作的结果,在此,作者对他们致以诚挚的感谢,特别要感谢该公司姚嘉明付总师和单学兵的全力支持。)(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2/22/2006)
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