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基于HyperMesh的25型铁道客车建模
作者:张艳    来源:Altair
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CAE/模拟仿真展厅
通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ...
摘要:随着有限元法在铁道车辆厂技术部门应用的深入,HyperMesh作为强有力的CAE前处理工具发挥着越来越大的作用。本文利用HyperMesh对铁道车辆中使用较广的25型客车进行有限元建模,主要包括底架、侧墙、端墙和车顶等4个部分以及车体附件的模拟,提供分析基础。

1 有限元分析介绍

有限元分析FEA(Finite Element Analysis),源于结构分析,从结构力学中的位移法发展而来,其基本思想为“先分后合”。先将连续的求解域离散为有限的单元,使其只在节点上相互关联;然后选择较简单的函数近似表达单元的物理量,如单元的位移或应力,并根据求解问题所描述的基本方程建立单元节点的平衡方程组;再把全部单元的方程组集成为具有整个结构力学特性的整体方程组;最后通过引入边界条件求解总体方程组而获得数值解,如结构的位移分布和应力分布等。有限元法的主要优点是物理概念清晰,应用范围广,可对许多复杂的工况和边界条件加以考虑。

2 CAE前处理软件-HyperMesh介绍

当前在我国工程界广泛使用的大型商用有限元分析软件有很多种。这些CAE软件均由前处理、分析求解和后处理三个部分组成。其中求解部分主要依靠计算机来完成,并且各大商用有限元分析软件都经过标准算例的对标,在分析一般性工程问题方面均能保证较好的精度。而前处理和后处理部分均需要工程人员较多的参与,尤其是前处理部分是工作强度很大。本文的分析和优化工作依托于美国澳汰尔(Altair)工程软件公司推出的HyperWorks平台中的前处理软件HyperMesh。

HyperMesh具有速度快、灵活性和用户化功能强的特点,是一个高效的有限元前处理器,能够快速建立复杂的有限元模型,并与主流的CAD和CAE软件有良好的接口,几何处理和网格划分功能很强大。其支持CATIA、UG、PRO-E等主流CAD软件的几何格式导入及国际通用的IGES格式输出;并支持多种主流求解器的输入格式。

HyperMesh提供了全面的网格检查功能,以保证较高的网格质量并较好的模拟几何形状;HyperMesh提供了多种修改网格的工具,可以改变单元密度、单元偏置梯度、网格划分算法等。HyperMesh菜单逻辑性强,易于学习。本文主要使用HyperMesh的网格生成及编辑功能。

3 车体详细模型

为保证模拟精度,本文参考25型客车的图纸建立完整的车体钢结构模型用于有限元分析。该车钢结构由若干结构焊接而成,车体设计的最高运行速度是120km/h。本文直接利用HyperMesh建立车体钢结构有限元模型。由于该车属于特种车辆,在槽钢的选择上与一般车辆略有不同,以达到适当加固的效果。

3.1 车体钢结构模型

3.1.1 25型客车介绍

我国从1963年开始自主研制铁道车辆,先后推出了21型车,22型车,25型车以及CRH系列动车组等。铁道部于1993年将25型车定性为主型客车,因此该种车辆在铁道客运占有重要地位。25型车不断改型升级,有25A,25B,25D,25G,25K,25S,25Z和25T等型号。本文所研究车辆为25B型特种餐车。

25型客车车体钢结构,由底架、侧墙、端墙和车顶等四部分焊接而成。在侧墙、端墙、车顶钢骨架外焊有侧墙板、端墙板、车顶板,在底架钢骨架上焊有纵向波纹地板和平地板,形成一个上部圆弧,下部矩形的封闭壳体,称为无中梁薄壁筒形车体结构。其中钢骨架上的纵向梁、横向梁和加强柱,共同形成整体承载的合理钢骨架结构[1]。

本车钢结构采用耐火钢,本文统一材料参数:弹性模量:E=2.1x10^5MPa;泊松比:Nu=0.3;密度:7.8x10-9 t/。

3.1.2车体钢结构中平板及波纹地板

车体主要由冷轧钢板和各种梁焊接而成,主要钢板厚度如表1。

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中华人民共和国铁道行业标准《TB/T 2706.5-1996铁道客车冷弯型钢系列之五波纹地板》中,推荐使用两种波纹地板型号A和B,具体尺寸将下图1。

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本文对波纹地板进行简化,在HyperMesh中建立了波纹地板模型,其界面如图2所示。

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3.1.3车体钢结构中梁结构

车体主要梁结构如表2,由于篇幅问题,这里只是列出主要部件的尺寸。

表2 车体梁结构主要参数
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注:符号含义如下:

1.C字形槽钢,记为C a/b/c/d。其中a,b,c表示三边长度,d表示厚度;
2.L字形槽钢,记为L a/b/c。其中a,b为两边长度,c表示厚度;
3.Hat字形槽梁,记为Hat a/b/c/d。其中a,b,c表示三边长度,d表示厚度;

本文利用壳单元来模拟底架上横梁,而侧墙、端墙和车顶上的梁截面如图3~5所示。

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3.1.4 车体钢结构模型

利用HyperMesh软件,根据二维图纸建立较详细的车体钢结构模型。模型的具体参数:单元尺寸50mm;单元130184个;节点115467个。单元类型选用壳单元和梁单元,其中梁截面利用HyperBeam创建。车体钢结构实际重量13t,有限元车体模型12t,能较好的模拟钢结构重量。见图6。

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25型客车底架由牵引梁、枕梁缓冲梁、下侧梁、枕梁间的纵向金属波纹地板及枕外金属平地板等组成[1] ,如下图7~8。

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25型客车侧墙外表面为无压肋平板,板内侧焊有垂直立柱和水平纵向梁,形成板梁式平面承载侧墙结构[1] ,如下图9。

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25型客车车体钢结构的两外端,通常称为外端墙[1],如下图10。

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客车车顶钢骨架由上边梁、车顶纵向梁、车顶弯梁、空调机组安装座平台、水箱盖等组成。在钢骨架外边焊有车顶板,共同组成车顶钢结构[1],如下图11。

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3.2 车底主要附件模拟

建立车体钢结构后,还应对车体主要附件进行模拟。由于车体附件种类繁多,对车体进行模态分析时,以钢结构为主,并考虑主要附件如空调、柴油发电机组等。一般采取以下三种方法模拟附件[2]:

1.通过增加板厚,使钢板增加的重量等于附件重量。
2.通过在对应连接处的节点上添加质量单元(均分)。
3.通过修改材料密度,将全部附件质量均分到整车结构,不考虑刚度贡献。
4.通过在附件重心处建立质量点,然后利用RBE3/Rigid单元将该质量点连接到附件固定处。

这四种方法都可以对附件进行初步模拟。但车体上还存在着大量无法准确模拟的部件:车体内墙板、木梁、空调风道、制动管道、行李架、座椅、车内间壁、厕所、地板防寒材等。这些部件对车体整备的刚度和重量均有所贡献,但无法详细模拟。本文主要分析车体地板振动,故需对车体底部配件进行质量和刚度模拟,如柴油发电机组、燃油箱、启动电池组等,具体参数见表3。

表3 车体底架重要附件
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根据车底附件与车体连接的特点,本文选用第四种方法模拟车体底架附件,如图12~13。其中选用了连接单元Rigid分别建立模型,依据模态分析结构确定能合理模拟柴油发电机组与车体连接的模型。

附件对车体模态有两种影响[2]:一种是附件质量刚度较集中,如柴油发电机组、空调、蓄电池等,提高车体局部刚度,但对整体模态影响不大,本文属于该种情况;另一种是附件质量刚度较分散,如木结构、内墙板、防寒材、风道等,对整体刚度影响较大。

本文主要分析柴油发电机组对车体地板结构振动的影响,所以重点模拟柴油发电机组附件(启动电池、柴油发电机组、燃油箱等),而忽略车体其他附件。

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3.3 模型的检查及修改

3.3.1 网格质量检查及修改

当模型网格质量太差时,甚至无法求解,因此需要检查网格质量。HyperMesh可以利用Check面板(快捷键F10)对1D单元、2D单元和3D单元进行质量检验,并找出质量较差单元。2D单元需要检查的关键项如下:

1.翘曲 (Warpage)表示单元变形量,当边缘没有变形时其值为0。四边形翘曲角即沿对角线计算两个三角形所成角的最大角,很明显三角形无翘曲,见图14。

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2.雅阁比(Jacobian)表示单元偏离正多边形的程度,理想值是1。推荐模型中雅阁比的最小值大于0.5。

3.宽长比(Aspect Ratio)为单元最长边与最短边的比值。宽长比的理想值为1。推荐模型中宽长比的最大值小于20。

利用单元检查功能找出质量不合格的单元。一般较多单元质量不合格时,很可能在某处集中出现,很容易修改。单元质量不合格时,可通过节点替换(快捷键F3)、删除单元(快捷键F2)、创建或劈分单元(Edit element)等操作进行处理。经过质量检查及网格修改,本模型网格质量达到要求,具体见表4。

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3.3.2 网格连接性检查及修改

由有限元原理可知,在组装矩阵求解过程中,各单元之间通过节点相关联。如果在焊接处或平板内没能处理好节点的连接,就无法准确反映物理结构,如图15所示。

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该车体模型单元数量较多,节点替换(快捷键F3)工作量太大,需利用HyperMesh提供的Edge工具在单元自由边处生成红色的Plot单元,可高效的完成网格连接性检查及修改功能,如图16。

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4 小结

本章利用HyperMesh建立了车体详细模型。首先,建立了车体刚结构模型,并对其网格质量和连接性进行了检查。主要利用壳单元和梁单元来模拟无中梁薄壁筒形车体结构,利用HyperBeam可以对梁截面的形状和尺寸进行快速设置。然后,模拟车体地板下吊的柴油发电机组,建立质量单元模拟其质量,并利用连接单元(Rigid)模拟其刚度。建立详细的25型客车有限元模型作为分析的基础。

5 参考文献
[1] 严隽耄,傅茂海.《车辆工程》.第三版.北京:铁道科学出版社,2009
[2] 郝鲁波.客车模态计算与试验研究:[硕士学位论文].大连:大连理工大学,2005
[3] Hypermesh User Handbook
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