ANSYS的二次開發(fā)在高速列車車窗改動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黎忠雪，楊　杰，王成雨，彭曉博

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都　613000)

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ANSYS的二次開發(fā)在高速列車車窗改動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黎忠雪，楊杰，王成雨，彭曉博

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都613000)

摘要：高速列車有限元模型構(gòu)造復(fù)雜，通過手動(dòng)操作對(duì)高速列車有限元模型的車窗進(jìn)行改動(dòng)，工作量非常大?；贏NSYS二次開發(fā)語言，研發(fā)了高速列車有限元模型車窗改動(dòng)的專用模塊。采用UIDL開發(fā)界面，應(yīng)用APDL語言編寫命令流，實(shí)現(xiàn)了通過輸入不同參數(shù)值來改動(dòng)車窗的有限元模型，然后利用ANSYS軟件分析車窗改動(dòng)對(duì)車體振動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明：ANSYS二次開發(fā)語言可用于車窗的改動(dòng)，對(duì)實(shí)際工程中的有限元模型改動(dòng)具有一定的指導(dǎo)意義，提高了科研和設(shè)計(jì)的工作效率。

關(guān)鍵詞：高速列車車窗；ANSYS; 二次開發(fā)；振動(dòng)性能

鐵路是國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施,是國(guó)家的大動(dòng)脈,是軌道交通中歷史最悠久、使用最普遍的交通方式之一。鐵路運(yùn)輸在各種運(yùn)輸方式中具有明顯優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要的地位和作用[1]。隨著我國(guó)高速列車技術(shù)研究的不斷發(fā)展，對(duì)高速列車有限元模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來越高，高速列車的振動(dòng)特性直接影響旅客乘坐的舒適性和列車運(yùn)行的安全性[2]。車窗作為車體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其振動(dòng)也會(huì)間接傳遞給乘客，影響乘客的乘坐舒適性。車體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，組成車體有限元模型的單元以及節(jié)點(diǎn)有幾十萬個(gè)。在工程實(shí)際應(yīng)用中，假如給定高速列車車體的有限元模型，出于工程需要，要求對(duì)建立好的車體模型的車窗進(jìn)行修改，重新建立車體的有限元模型則工作量非常大，既耗費(fèi)人力又耗費(fèi)物力，而且國(guó)內(nèi)外有關(guān)車窗對(duì)車體振動(dòng)性能影響的研究以及如何建立、修改已有有限元車體模型的一體化程序的研究很少，在一些期刊網(wǎng)站如CNKI、萬方數(shù)據(jù)等沒有查到關(guān)于列車車體窗口對(duì)車體振動(dòng)性能影響的相關(guān)文獻(xiàn)。我國(guó)的一線生產(chǎn)商唐山軌道客車股份有限公司也提出過相應(yīng)的問題，至今未得到有效的解決措施。本文把已有的高速列車有限元模型做了進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)高速列車的車窗改動(dòng)進(jìn)行了嘗試，建立了有關(guān)的設(shè)計(jì)理論和方法，開發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)程序，對(duì)列車有限元模型進(jìn)行了修改，然后根據(jù)有限元軟件對(duì)修改后的高速列車模型的振動(dòng)情況進(jìn)行分析，初步驗(yàn)證通過調(diào)用相應(yīng)的程序進(jìn)行車窗改動(dòng)研究的思路是可行的。

1主菜單與對(duì)話框的編制

1.1車窗改動(dòng)主菜單的設(shè)計(jì)

菜單是程序界面的重要組成部分,菜單設(shè)計(jì)是通過編制UIDL(user interface design language)語言程序來完成的，而ANSYS中主菜單的編制借助控制文件UIMENU.GRN來建立?？刂莆募煽刂莆募^和一系列的結(jié)構(gòu)塊組成，控制文件頭的部分結(jié)構(gòu)如下[3-4]:

:N Menuroot

:S 529，76,446

:T Menu

….

:E END

:!

此主菜單只增加了一部分的菜單名，用戶可以根據(jù)自己的需求適當(dāng)?shù)卦黾硬藛蚊Q。然后在連續(xù)的“:!”和“:N”之間添加所需的結(jié)構(gòu)模塊：

:N Men_selside

:S125,80,38

:T Menu

:A which side

:D analysis change

….

在UIMENU.GRN文件中加入所需的語句后，運(yùn)行ANSYS軟件，會(huì)在ANSYS界面中顯示要添加的菜單，如圖1所示。本例中只列舉generaele菜單，圖中顯示的generaele菜單正是新添加的菜單。

圖1菜單界面

1.2車窗改動(dòng)對(duì)話框的設(shè)計(jì)

對(duì)話框適用于用戶輸入的不同類型數(shù)據(jù),對(duì)話框設(shè)計(jì)是通過功能塊完成的。ANSYS的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)話框和拾取對(duì)話框是通過控制文件UI-FUNC1.GRN和UI-FUNC2.GRN 文件來編寫的。選取其中的一個(gè)控制文件，修改ANSYS安裝目錄下UI-FUNC1.GRN或UI-FUNC2.GRN文件，在任意的“:!”和“:N”之間添加以下的文字

:N Fnc_selside

:S 389,131,251

:T Cmd

:A selside

:D Please Input the parameter Informations

….

:!

運(yùn)行ANSYS程序可生成幾何參數(shù)對(duì)話框，只選其中一個(gè)對(duì)話框示例，如圖2所示。

圖2幾何參數(shù)對(duì)話框

2車窗改動(dòng)命令流的編制

APDL(ANSYS parametric design language)是一種為ANSYS二次開發(fā)專門設(shè)計(jì)開發(fā)的解釋性文本語言,因?yàn)槠溆醒h(huán)、分支、宏等結(jié)構(gòu),還可以使用參數(shù)、數(shù)組、標(biāo)量等,用戶可以利用APDL將ANSYS命令組織起來,編寫出參數(shù)化的用戶程序,可以減少用戶的建模時(shí)間，可以改動(dòng)參數(shù)來局部修改已建立好的模型。在高速列車的有限元模型中,可以根據(jù)已有的有限元模型，編寫車體有限元模型車窗改動(dòng)的APDL語言程序[5]，再把編好的命令寫入宏文件中。若改動(dòng)APDL中的特定程序的某些數(shù)據(jù)參數(shù)，窗口尺寸會(huì)隨之變化。在控制ANSYS界面的UI-FUNC2.GRN文件中調(diào)用宏文件進(jìn)行運(yùn)算。在此過程中減少了大量的實(shí)際手動(dòng)操作，縮短了時(shí)間歷程。

3高速列車車窗改動(dòng)二次開發(fā)過程及其對(duì)車體振動(dòng)特性影響

3.1車體的有限元模型

車體有限元模型采用殼單元?jiǎng)澐諿6]，ANSYS單元類型Shell63，共計(jì)劃單元945 755個(gè)，節(jié)點(diǎn)814 280個(gè)，圖3為車體有限元網(wǎng)格。在ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析得到了原始參數(shù)下車體菱形、垂彎、扭轉(zhuǎn)和橫彎變形的固有頻率見表1。

圖3　有限元模型

3.2車體車窗改動(dòng)的參數(shù)化建模及可視化過程

在已有的車體有限元模型的基礎(chǔ)上，選取車體的一個(gè)車窗為研究對(duì)象，先研究車窗外圍板單元，再研究?jī)?nèi)部的波紋板。選定一組節(jié)點(diǎn)為基本參考標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)制這組節(jié)點(diǎn)到所需的位置，然后通過節(jié)點(diǎn)生成單元法來生成新單元。然后把編好的宏文件調(diào)入U(xiǎn)IDL語言中即可實(shí)現(xiàn)可視化過程，部分程序如下：

esel,u,real,,14

nsle,s,0

nsel,r,loc,x,zu(u,1)

nsel,r,loc,y,zu(u,3),zu(u,4)

*set,s,309252

*do,i,1,w/f,1

ngen,2,i*s,all,,,i*f,0,0,1

*enddo

real,8

*do,i,1,waez-1,1

*do,j,1,w/f,1

e,wdez(i)+(j-1)*s,wdez(i+1)+(j-1)*s,wdez(i+1)+j*s,wdez(i)+j*s

*enddo

*enddo

由以上可得：僅通過改動(dòng)可視化參數(shù)對(duì)話框中的各種參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)車窗尺寸改動(dòng)的車體進(jìn)行重新建模的功能，其他的車窗采用相同的建模原理，整個(gè)車體模型的車窗改動(dòng)即可完成。在工程應(yīng)用中，假如對(duì)已建好的有限元模型稍作變動(dòng)，就可利用上述原理進(jìn)行修改及微調(diào)，省去了繁瑣的建模過程，大大縮短了工程人員的時(shí)間，提高了工作效率。

3.3車窗改動(dòng)對(duì)車體頻率及振型的影響

針對(duì)車窗X方向尺寸減小以及列車車窗的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了8個(gè)工況，具體的計(jì)算工況見表2。

表2　計(jì)算工況

其中：c代表計(jì)算工況；w為車窗X方向尺寸的減小值,w=0時(shí)是車體有限元模型在原始參數(shù)下的工況。

在ANSYS中對(duì)以上各個(gè)工況的車體有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析[7]，分別得到車窗X方向尺寸減小對(duì)車體菱形變形，一階垂彎變形，一階扭轉(zhuǎn)變形和一階橫彎變形的固有頻率的影響[8]，如圖 4 所示。

圖4　各種工況下的頻率

從圖4中可以看出：隨著車窗X方向尺寸的減小，車體菱形變形的固有頻率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，車體一階垂彎變形的固有頻率和車體一階扭轉(zhuǎn)變形的固有頻率都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，車體一階橫彎變形的固有頻率呈現(xiàn)逐漸增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。根據(jù)力學(xué)原理，隨著車窗X方向尺寸的減小，車體的剛度有所增加，固有頻率隨之增加，理論與數(shù)值計(jì)算情況吻合。

針對(duì)以上設(shè)計(jì)工況，對(duì)車體有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，研究車體有限元模型在何種頻率下達(dá)到Y(jié)向振幅的最大值，不同工況對(duì)應(yīng)的情況如圖5所示。

從圖5可以看出：在以上工況中，車體有限元模型在頻率達(dá)到18 Hz的外激勵(lì)作用下，車體的Y向振幅最大。此過程對(duì)驗(yàn)證車體能否克服共振以及預(yù)防受迫振動(dòng)有一定的參考價(jià)值。

圖5　各種工況下的振幅

4結(jié)論

針對(duì)高速列車車體有限元模型的復(fù)雜性,以某型高速列車有限元模型為例，選定車窗結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)車窗尺寸進(jìn)行改動(dòng)。有限元模型改造完成后，進(jìn)行模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析，得到以下結(jié)論：

1) APDL語言和UIDL語言的結(jié)合使用，可使車窗改動(dòng)的參數(shù)化建模過程可視化。在參數(shù)化分析過程中可以簡(jiǎn)單修改其中的參數(shù)，達(dá)到反復(fù)分析各種尺寸的多種設(shè)計(jì)方案或者序列性產(chǎn)品，極大地提高了分析效率，減少分析成本。

2) 車窗尺寸的改動(dòng)對(duì)車體菱形、垂彎和扭轉(zhuǎn)變形的固有頻率的影響類似。隨著車窗X方向尺寸的減小，高速列車車體的菱形、垂彎、扭轉(zhuǎn)變形的固有頻率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

3) 隨著車窗X方向尺寸的減小，車窗尺寸的改動(dòng)對(duì)車體橫彎變形的固有頻率的影響程度起初很大，而在其他工況中均增加或逐漸趨于平穩(wěn)。

4) 在以上幾種設(shè)計(jì)工況中，車窗改動(dòng)的車體有限元模型在頻率為18 Hz時(shí)，車體Y向振幅最大。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯楊文青)

Window Change of High Speed Train Based on Redevelopment of ANSYS

LI Zhong-xue，YANG Jie，WANG Cheng-yu，PENG Xiao-bo

(School of Mechanics and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 613000, China)

Abstract:It is constituted compliantly for the finite element model of the high speed train. If we make a slight change on the window of its model，it will cost a quantity of time to rebuild model of the high speed train. Based on ANSYS’s redevelopment language, the special module on the window change of the high speed train was made. The interfaces were made by using UIDL and the parameter commands were programmed by APDL to change the size of window，which resulted in a slight modify of the high speed train by inputting different parameters. Then that we made use of ANSYS analyses vibration characteristics of the high speed train which was influenced by the window change. The results suggested that the window changed based on ANSYS’s redevelopment language was reliable, which has significance to the finite element model modify in the practical project and makes improvement in efficiency of scientific research as well as the design.

Key words:the window of the high speed train; ANSYS; redevelopment language; vibration characteristic

收稿日期：2015-12-12

基金項(xiàng)目：橫向基金“高速動(dòng)車組車體模態(tài)匹配設(shè)計(jì)及其對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響”(2013-234)

作者簡(jiǎn)介：黎忠雪(1985—)，男，黑龍江人，碩士，主要從事工程力學(xué)研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.005

中圖分類號(hào)：U260.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)06-0026-06

引用格式：黎忠雪，楊杰，王成雨，等.ANSYS的二次開發(fā)在高速列車車窗改動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(6):26-31.

Citation format：LI Zhong-xue，YANG Jie，WANG Cheng-yu，et al.Window Change of High Speed Train Based on Redevelopment of ANSYS[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):26-31.