王人鵬 周勇 程玉民

摘要：以參數(shù)化磁懸浮列車車體有限元模型為基礎(chǔ)，在各種載荷和邊界條件下開展數(shù)值模擬試驗，研究各種運營環(huán)境中車體結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和動力學(xué)性能。在Siemens NX中完成車體在各種典型載荷工況下的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)性能模擬試驗，包括車體結(jié)構(gòu)載荷變形、車體主要連接部件結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、車體頻率及振型、車體結(jié)構(gòu)線性屈曲性能，以及車體動力響應(yīng)性能等。數(shù)值模擬結(jié)果認(rèn)為給定的復(fù)合材料磁懸浮列車車體設(shè)計可行，同時驗證參數(shù)化車體有限元模型的有效性。

關(guān)鍵詞：磁懸浮列車; 數(shù)值模擬試驗; 力學(xué)性能; 模態(tài); 屈曲

中圖分類號：U266.4; TB115.1

文獻標(biāo)志碼：B

Numerical simulation on composite vehicle structure of

maglev train （II）：

Numerical simulation test for vehicle body structure performance

WANG Renpeng1， ZHOU Yong1， CHENG Yumin2

（1. Tongji University， Shanghai 200090， China; 2. Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics，

Shanghai University， Shanghai 200072， China）

Abstract：

Based on the parameterized finite element model of maglev train body， the numerical simulation tests under various loads and boundary conditions are promoted， and the static and dynamic performance of vehicle body structure in various operation environments is researched. The static and dynamic performance simulation tests of vehicle body under various typical load conditions are carried out using Siemens NX， that consists of the load deformation of vehicle body structure， the mechanical properties of connecting structure of main parts of vehicle body， the frequency and mode of vehicle body， the linear buckling performance of vehicle body structure， and the dynamic response performance of vehicle body. The results of numerical simulation show that the preliminary design of composite maglev train body is feasible. The validity of parameterized finite element model of car body is verified.

Key words：

maglev train; numerical simulation test; dynamic performance; modal; flexion

收稿日期：2018-11-24

修回日期：2019-04-16

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2106YFB1200601-B16）

作者簡介：

王人鵬（1964—），男，山西芮城人，副教授，博士，研究方向為數(shù)值模擬方法及其在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，

（E-mail）renpengwang@126.com

0?引?言

復(fù)合材料數(shù)值分析理論的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，借助現(xiàn)代CAE數(shù)值分析技術(shù)，可以更好地完成復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)。[1-?4]在參數(shù)化車體有限元模型[5]的基礎(chǔ)上，根據(jù)車體在各種典型運營條件下的載荷工況和可能的邊界條件，使用Siemens NX進行參數(shù)化分析。[6]參數(shù)化有限元模型包含的所有車體結(jié)構(gòu)部件的曲面有限元模型，都是針對真實物理模型較為精確的數(shù)學(xué)模型。車廂底盤鋁合金結(jié)構(gòu)、車窗車門等結(jié)構(gòu)部件使用鋁合金，取各向同性材料屬性作為材料模型;復(fù)合材料車體外殼、橫向和縱向復(fù)合材料梁系均使用高性能復(fù)合材料模型;各個結(jié)構(gòu)部件的連接使用NX gluing技術(shù)，可靠描述結(jié)構(gòu)部件連接的力學(xué)屬性。真實物理模型的制造加工過程按照NX gluing的要求實現(xiàn)。各復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的形狀生成使用已有的復(fù)合材料加工工藝，如Prepregs及其相關(guān)的部件整體復(fù)合材料制造技術(shù)。使用大型設(shè)備實現(xiàn)復(fù)合材料車體外殼、車身復(fù)合材料梁系和車頭復(fù)合材料梁系的可靠連接[3]，使用NX gluing技術(shù)可以可靠地模擬結(jié)構(gòu)部件的連接。對于橫向復(fù)合材料梁系與車廂底盤的連接，設(shè)計π連接方式實現(xiàn)復(fù)合材料與鋁合金材料的可靠連接，同樣使用NX gluing技術(shù)模擬。參數(shù)化有限元模型與載荷和邊界條件的參數(shù)化，可使得車體數(shù)值試驗有效進行，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)值模擬試驗，并在此基礎(chǔ)上完成車體靜力學(xué)和動力學(xué)數(shù)值試驗。

1?載荷和邊界條件的參數(shù)化

根據(jù)磁懸浮列車走行機構(gòu)對車廂底盤的各種可能約束性質(zhì)，設(shè)置車體結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的邊界條件。磁懸浮列車走行機構(gòu)與車廂底盤的連接方式多樣，因此建立幾種可能的車廂底盤參數(shù)化幾何模型。為節(jié)省篇幅，此處只列出1種作為代表，設(shè)置相關(guān)邊界條件。

車廂底盤可能有多種約束邊界條件，這些邊界條件與參數(shù)化車體模型共同構(gòu)成磁懸浮列車參數(shù)化數(shù)字模型。在參數(shù)化車廂底盤幾何模型的基礎(chǔ)上，選擇多種幾何曲面，生成幾何曲面組，以便設(shè)置多種可能的邊界條件。其與參數(shù)化車體幾何模型和參數(shù)化車體有限元模型可以組合成多種車體數(shù)值模型，實現(xiàn)邊界條件的參數(shù)化。[6]運營環(huán)境中常見的車廂底盤約束模擬見圖1。

參數(shù)化車廂底盤幾何模型，可以通過車廂底盤?的幾?何形狀和約束面積等，驅(qū)動相關(guān)邊界條件的參數(shù)化。利用建立的參數(shù)化車體幾何模型，可以模擬磁懸浮列車運營環(huán)境下所有可能的載荷條件，其與參數(shù)化車體幾何模型、參數(shù)化車體有限元模型，以及多種邊界條件可以組合形成多種車體數(shù)值模型，還可以通過載荷組合實現(xiàn)載荷模擬的參數(shù)化。典型風(fēng)載荷作用下磁懸浮列車參數(shù)設(shè)置見圖2。

在參數(shù)化車體幾何模型的基礎(chǔ)上，可以生成風(fēng)載荷作用曲面組，實現(xiàn)相關(guān)幾何參數(shù)對風(fēng)載荷作用曲面的參數(shù)化。載荷變量的大小和方向由載荷作用方式和載荷數(shù)值表達式變量（如壓力等）實現(xiàn)參數(shù)化。

非結(jié)構(gòu)部分（如附加設(shè)備、內(nèi)飾材料等）對車體結(jié)構(gòu)性能的影響，由non-structural mass在參數(shù)化車體幾何模型的基礎(chǔ)上實現(xiàn)模擬。非結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量和乘客質(zhì)量設(shè)置見圖3。

利用參數(shù)化車體幾何模型，還可以參數(shù)化設(shè)置乘客、附件設(shè)備、裝飾等非結(jié)構(gòu)因素所在位置和分布面積，以及列車載荷（包括風(fēng)載荷、轉(zhuǎn)彎加速度、縱向沖擊載荷和設(shè)備載荷）等，具體的載荷數(shù)值依據(jù)相關(guān)規(guī)定[7]靈活設(shè)定。邊界條件、載荷條件的參數(shù)化與車體幾何模型和有限元模型的參數(shù)化，共同構(gòu)成車體的數(shù)值模型，可實現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬試驗。

2?力學(xué)性能的數(shù)值模擬試驗

參數(shù)變量存在于車體結(jié)構(gòu)幾何模型、物理材料模型、鋪層模型、網(wǎng)格劃分、邊界條件和載荷條件等各個層次上，他們之間存在多種參數(shù)變量的線性組合，每個組合對應(yīng)某個真實車體力學(xué)性能的數(shù)值模型，因而可以獲得大量車體力學(xué)性能的數(shù)值試驗結(jié)果。數(shù)值模擬試驗得到的車體整體結(jié)構(gòu)性能比局部性能數(shù)值結(jié)果更有意義;系列數(shù)值模擬試驗對比結(jié)果比單獨數(shù)值試驗結(jié)果更有意義。

本文建立的車體有限元模型自由度數(shù)約為150萬個左右，車體模型總自由度規(guī)模在1 000萬以上。由于復(fù)合材料大量使用四節(jié)點殼單元模擬，所以使用數(shù)值模擬結(jié)果精度可信的Nastran求解。在參數(shù)化車體數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，完成數(shù)值模擬試驗?？紤]磁懸浮列車各種極端運營環(huán)境，如風(fēng)載荷、轉(zhuǎn)彎加速載荷和乘客質(zhì)量等因素。對載荷進行放大處理，最大程度地保證磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)性能滿足運營要求。在各種載荷工況下，車體最大變形應(yīng)不大于5～6 mm，應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)遠小于復(fù)合材料的應(yīng)力和應(yīng)變極限。[1，5]根據(jù)已有磁懸浮列車設(shè)計經(jīng)驗，車體變形初步計算滿足車體設(shè)計要求。由于數(shù)值模擬試驗結(jié)果規(guī)模巨大，為節(jié)省篇幅，只給出代表性的數(shù)值模型試驗結(jié)果。不同載荷下車體結(jié)構(gòu)變形見圖4，車體各主要復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件變形見圖5。

為節(jié)省篇幅，給出某載荷工況下車身殼體復(fù)合材料鋪層應(yīng)力分布。鋪層1和鋪層9的方向1～3應(yīng)力分布，見圖6。

車體線性屈曲性能數(shù)值試驗可研究車體的屈曲行為，復(fù)合材料車體的前30階屈曲因子見表1，其前3階屈曲模態(tài)變形見圖7。

由數(shù)值試驗可知，車體的線性屈曲行為只發(fā)生在局部范圍內(nèi)，表明復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)有良好的抗線性屈曲性能。

車體頻率是動力分析的基礎(chǔ)，由前30階模態(tài)頻率分布可知，車體設(shè)計滿足基本頻率要求。前30階模態(tài)頻率見表2，前3階振型見圖8。

由數(shù)值試驗可知，車體的最小模態(tài)頻率為10.813 9Hz，對應(yīng)的振型為車體整體側(cè)向彎曲。前19階頻率均在10～30 Hz之內(nèi)，根據(jù)已有的磁懸浮車體設(shè)計經(jīng)驗，表明車體振動性能滿足車體振動頻率要求。

3?車體連接性能的數(shù)值模擬試驗

車體各主要部件連接結(jié)構(gòu)作用力分布見圖9。

由此可知，在載荷作用下復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)連接力最大約為2 kN，在可實現(xiàn)范圍內(nèi)。已有的研究表明，可以使用粘接或螺栓連接的方式實現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件的連接。[1，2]連接結(jié)構(gòu)粘接力分布是連接方式和連接材料選擇的依據(jù)。螺栓連接、粘接連接或螺栓加粘接連接設(shè)計和優(yōu)化必須在結(jié)構(gòu)部件之間粘接力分布基礎(chǔ)上實現(xiàn)。

4?結(jié)束語

在參數(shù)化車體有限元模型基礎(chǔ)上，進行結(jié)構(gòu)性能數(shù)值模擬，可以從總體上預(yù)測各種載荷情況下車體結(jié)構(gòu)的靜力和動力性能，通過結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力分布、連接受力與變形分布、頻率與振型分布、屈曲因子及其分布，可以在總體上掌握車體結(jié)構(gòu)的屬性。通過調(diào)整車體相關(guān)的幾何參數(shù)和使用的結(jié)構(gòu)材料，可以實現(xiàn)有效的車體結(jié)構(gòu)性能預(yù)測，最終完成車體設(shè)計目標(biāo)。

通過上述方法實現(xiàn)車體數(shù)值模擬試驗，可以高效、快捷、準(zhǔn)確地完成車體結(jié)構(gòu)性能預(yù)測，是實現(xiàn)車體數(shù)字化設(shè)計和制造的必經(jīng)之路。

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