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铁路与轨道交通 |
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高速列车车门的性能分析 |
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作者：南京信息工程大学 袁安富 |
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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)
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(2/22/2006) |
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