復合材料磁懸浮列車車體結構數值模擬（I）

王人鵬 周勇 程玉民

摘要：為適應高性能復合材料磁懸浮列車車體結構設計和輕量化要求，對由高性能碳纖維材料、鋁合金和高性能玻璃材料組合而成的復合材料磁懸浮列車進行參數化設計，使用Siemens NX建立參數化磁懸浮列車幾何模型和有限元模型，實現(xiàn)車體結構和連接結構的精確數值模擬，為基于數值模擬技術的磁懸浮列車車體設計打好基礎。

關鍵詞：磁懸浮列車; 復合材料; 結構設計; 參數化; 有限元

中圖分類號：U266.4;TB115.1

文獻標志碼：B

Numerical simulation on composite vehicle structure of maglev train （I）：

Parametric finite element model for train body design

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：

To meet the structural design and lightweight requirements of high performance composite maglev train body the parametric design of composite maglev train composed of high performance carbon fiber material aluminum alloy and high performance glass material is carried out. Siemens NX is used to build parametric geometric model and finite element model of maglev train. The accurate numerical simulation of car body structure and connection structure is realized. It can lay a good foundation for the design of maglev train body based on numerical simulation technology.

Key words：

maglev train; composite; structure design; parameterization; finite element

0?引?言

使用先進復合材料制造列車車體，是磁懸浮列車輕量化技術的主要手段之一。[1]復合材料技術發(fā)展已經相當成熟，在航空航天和軍工領域應用廣泛。[23]采用數值模擬技術，先在計算機上實現(xiàn)大部分結構設計，再輔之以少量試驗，就可達到結構設計和優(yōu)化的目的。復合材料磁懸浮列車車體設計除涉及復雜的結構力學性能計算外，還需要滿足其他技術要求，如車身氣動優(yōu)化、車體美學、振動控制與優(yōu)化、乘坐舒適性等。磁懸浮列車車體由多種工程材料構成，包括高性能碳纖維復合材料、鋁合金、泡沫材料、高性能工程玻璃和內飾材料等。因此，車體模型應該包含所有這些組成部分及其相互連接關系，并且可以靈活變化，以適應多種設計要求和限制。高度參數化的車體幾何造型和精細有限元模型可滿足上述諸多方面的要求。Siemens NX系統(tǒng)可提供建立高度參數化模型的環(huán)境。[4]本文使用Siemens NX系統(tǒng)建立滿足磁懸浮列車車體設計的數字模型。

1?車體結構幾何模型的參數化過程

在已有磁懸浮列車鋁合金車體設計經驗基礎上，考慮復合材料制造工藝、復合材料部件及其連接方式、車門車窗與復合材料車體的連接方式，完成高性能碳纖維復合材料磁懸浮列車車體設計。根據復合材料車體與鋁合金車廂底盤的連接方式，調整車廂底盤，方便復合材料車體與已有的走行部鋁合金結構連接，保留車體底盤的主體結構，保證磁懸浮列車制造順利實施。

車體參數化幾何模型通過裝配體模型實現(xiàn)，每個代表主要結構部件的Part模型由曲面模型構成，曲面模型由相應的sketch曲線驅動實現(xiàn)參數化。曲面模型可以進行精確的力學性能模擬，避免使用三維實體模型描述大量的結構部件，有效減少數值模型的規(guī)模，便于大量數值試驗的快捷實現(xiàn)。模型的主要驅動參數曲線包括車身截面曲線、車頭截面曲線和車窗車門曲線。幾何參數驅動可以實現(xiàn)適應設計要求的車體幾何模型，滿足設計的各種要求和限制。[5]

車體由復合材料車體外殼、車身橫向復合材料梁系、車身縱向復合材料梁系、車頭橫向復合材料梁系、車頭縱向復合材料梁系、車廂底盤鋁合金結構和車門車窗等結構部件構成。部分車體參數化幾何模型見圖1。

復合材料縱、橫梁系形成車體的骨架結構，與車體外表的復合材料殼體共同形成車體受力體系。采用開口截面方式，縱、橫方向的復合材料梁使用常見復合材料制造工藝批量生產，車體外殼結構需要較大模具加工完成。[4]

縱、橫梁系與車體外殼結構的連接方式可以采用粘接、粘接輔以螺栓、螺栓3種方式。中低速磁懸浮列車的走行機構保留原有的金屬結構，修改車廂底盤設計，以方便與復合材料車體結構安全連接。先初步確定復合材料車體結構與車廂底盤的連接形式，修改車廂底盤設計，車體主要連接部件見圖2。

車體結構幾何模型的參數化過程包括：梁系、車廂底盤和車門車窗幾何形狀由車體外殼幾何形狀驅動;車身殼體幾何形狀由車身截面曲線控制;車身截面曲線由若干基本幾何參數控制[5]。車體參數化截面控制曲線見圖3。

為適用各種設計變化要求，車體外殼幾何外形由104個幾何參數控制。車身橫向復合材料梁的截面尺寸由24個幾何參數控制，幾何模型的掃掠路徑由車身截面曲線控制，開口形狀和尺寸由縱向復合材料梁系控制。車身縱向復合材料梁的截面尺寸由車身截面曲線和車身梁截面共23個幾何參數共同控制，梁長度由車身長度參數控制。具體參數不一一列出。

車頭縱向和橫向復合材料梁系完全由曲面構成，其形狀和尺寸控制較復雜。車頭縱向梁系的曲面形狀由車身曲面和梁系截面共6個幾何參數共同控制。車頭橫向梁系的曲面形狀由車身曲面和梁系截面共69個幾何參數共同控制。車頭梁系的截面由車身控制曲線即車窗外形控制;車頭梁系的開孔由車頭縱向復合材料梁系幾何形狀控制。

車廂底盤結構幾何模型由車身曲面形狀、車身和車頭梁系與底盤連接的幾何形狀、底盤內部縱向板布置等25個幾何參數共同控制。

車窗和承蒙結構幾何模型比較簡單，由車身曲面形狀和車身控制曲線控制。

2?車體連接結構幾何模型的參數化

車體部件通過螺栓或粘接連接。為模擬部件之間連接結構的力學性能，并考慮滿足多種設計和加工制造要求，在結構幾何模型上建立連接結構幾何模型。部件的連接結構力學模型通過連接結構的幾何模型實現(xiàn)。

車身橫向梁系的參數化模型見圖4。車身橫向復合材料梁系與車外殼連接結構的幾何模型由橫向復合材料梁的連接寬度（p0）控制。

車身縱向梁系的參數化模型見圖5。車身縱向復合材料梁與車體外殼的連接結構幾何模型由縱向復合材料梁截面的寬度（p11、p12、p16、p17、p27、p38）控制。

車頭縱向梁系的參數化模型見圖6。車頭縱向復合材料梁系與車體外殼的連接結構幾何模型由車身控制曲線參數（p182、p183）控制。

車頭橫向梁系的參數化模型見圖7。

車頭橫向復合材料梁系與車體外殼的連接結構幾何模型由車頭控制曲線連接寬度（p164、p165、p166、p169、p174、p175）控制。

車身橫向與縱向梁系的參數化模型見圖8。車

身橫向與縱向復合材料梁系的連接結構幾何模型由橫向復合材料梁開孔曲線控制，即由縱向梁截面幾何參數控制。

車頭橫向與縱向梁系連接結構參數化模型見圖9。車頭橫向與縱向復合材料梁系的連接結構幾何模型由車身控制曲線參數（見圖7a））控制。

車廂底盤與橫向和縱向梁系連接結構的參數化

模型見圖10。車廂底盤與車身橫向復合材料梁系、車頭橫向復合材料梁系、車頭縱向復合材料梁系的連接結構幾何模型，由車身橫向梁系、車頭橫向梁系、車頭縱向梁系的連接曲面控制。

車廂底盤與車體外殼連接結構的參數化模型見圖11。

車廂底盤與車體外殼連接結構的幾何模型由車身幾何參數控制。

3?復合材料鋪層設計

復合材料車體結構采用多種工程材料構成，主要包括高性能碳纖維、泡沫、鋁合金和高性能玻璃等。將車體的結構部件賦予任意選擇的工程材料，可實現(xiàn)材料選擇的參數化和材料組合優(yōu)化。復合材料的設計較復雜，主要難點是碳纖維鋪層設計。鋪層設計可以通過鋪層方式、鋪層數、鋪層厚度和鋪層角度等參數，實現(xiàn)多種碳纖維復合材料鋪層設計的參數化。本文只列出經過大量數值模擬計算確定的滿足磁懸浮列車設計要求的高性能碳纖維鋪層設計方案。

車體外殼復合材料鋪層設計采用20層高性能碳纖維復合材料，總厚度為5 mm，選擇對稱鋪層[-45/0/45/90]s，單層可選用典型的商用高性能碳纖維材料預制品，如單向AS4/35016，AGP3705H/35016S等。[5]車體橫向和縱向復合材料梁系的

鋪層設計均采用16層高性能碳纖維復合材料，總厚度為4 mm，選擇對稱鋪層[-45/0/45/90]s，單層同樣選用典型的商用高性能碳纖維材料預制品。為節(jié)省篇幅，車體其他結構采用的工程材料不一一列舉。

4?參數化車體有限元模型

在上述復合材料車體參數化結構幾何模型和材料模型的基礎上，建立車體參數化有限元模型。由車體結構幾何模型驅動車體有限元模型，實現(xiàn)從車體結構幾何模型到車體有限元模型的全過程參數化。對車體關鍵幾何尺寸、復合材料鋪層設計等影響結構性能的因素進行參數化模擬，可實現(xiàn)車體力學性能的數值模擬和優(yōu)化，滿足車體的多種設計要求。

車體有限元模型網格的基本控制尺寸為25 mm，建立精細的車體數值模型（自由度為千萬數量級），獲得較為滿意的數值模擬結果。有限元建模采用裝配有限元法AFM，結構部件的連接性能采用Gluing方法模擬。裝配有限元法AFM可以實現(xiàn)結構部件有限元模型驅動整車車體有限元的參數化。車體結構部件有限元建模過程大量采用參數化過程，包括模擬單元類型的選取、網格劃分方法和殼體網格質量控制的選擇等。由于車體結構幾何模型由曲面模型組裝而成，使用殼單元CQUAD4進行曲面模型的有限元網格劃分，同時賦予曲面模型相應的復合材料、鋁合金材料或其他材料屬性，采用AFM法生成車體有限元模型，使用Stitch Edge[5]連接同一個曲面模型中的曲面邊與曲面。列車主要結構部件的有限元模型見圖12，車體整體結構參數化有限元模型見圖13。該車體數值模型可以較好地實現(xiàn)基于數值模擬的車體設計。

在車體結構參數化連接幾何模型的基礎上，建立各車體部件之間的Gluing連接。該Gluing模型可以模擬結構部件連接的力學性能，實現(xiàn)彈簧型和焊接型連接屬性模擬。以車體橫向復合材料梁系與殼體連接的Gluing模型為例，顯示該模型的參數化過程。車體橫向復合材梁系與車體外殼的Gluing連接見圖14，車體主要結構部件間的Gluing模型見圖15。

連接部分基于結構連接參數化幾何模型，因此可實現(xiàn)Gluing模型的參數化過程;同時，Gluing模型的力學屬性可以有多個選項，便于實現(xiàn)Gluing模型力學性能的參數化。

此外，車門車窗和非結構部件的質量、乘客質量加載等參數化過程也在參數化結構幾何模型上完成。包括連接模型在內的參數化車體有限元模型，可以方便地完成各種數值模擬和優(yōu)化，但模擬計算需要消耗大量計算資源。車體整體結構的參數化數值模型見圖16。

5?結束語

全部使用曲面模型模擬結構部件，使用裝配模型建立總體模型，因而可以方便地更改幾何控制參數，實現(xiàn)車體幾何形狀的自動修改，完成相應橫向和縱向梁截面形狀及軸線形狀的自動修改，為實現(xiàn)車體形狀優(yōu)化奠定基礎。同時，在參數化幾何模型基礎上采用AFM建立有限元模型，可以方便地更改結構部件力學屬性和連接屬性，為實現(xiàn)參數化數值模擬打下基礎。

上述方法實現(xiàn)的車體數字模型，可以最大程度地滿足各種設計制造要求，是實現(xiàn)車體數字化設計制造的基礎。

參考文獻：

[1]?MALLICK P K. Fiberreinforced engineering composites： materials manufacturing and design[M]. Florida： CRC Press 2007.

[2]?GAY D. Composite materials design and applications[M]. Florida： CRC Press 2014.

[3]?VALERY V MOROZOV E. Advanced mechanics of composite materials and structural elements[M]. Amsterdam： Elsevier 2013.

[4]?LENGSFELD H WOLFFFABRIS F KRMER J et al. Composite technology： Prepregs and monolithic part fabrication technologies[M]. Munich： Hanser 2015.

[5]?Siemens PLM Software users manual[Z]. Torrance 2018. https：//www.plm.automation.siemens.com/global/zhcn/index.html.