軌道車輛鋁合金車體有限元快速建模技術(shù)研究

董靜 高永海 婁斌

摘要：針對(duì)軌道車輛鋁合金車體結(jié)構(gòu)有限元建模過程復(fù)雜、繁瑣且容易出錯(cuò)的情況，本文主要研究鋁合金車體型材結(jié)構(gòu)有限元建模方式，提出型材中性面截面庫(kù)的概念，并基于HyperMesh軟件，搭建適合鋁合金車體有限元建模的型材中性面截面庫(kù)，以快速創(chuàng)建型材中性面模型；同時(shí)，將有限元仿真分析過程中的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)封裝成不同功能的仿真分析模板，降低有限元建模難度，提高仿真分析效率，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋁合金車體；有限元建模；型材中性面；仿真分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20231930

隨著城市軌道交通日趨發(fā)展，高品質(zhì)、輕量化、高速度的車輛成為主流趨勢(shì)，鋁合金成為城市軌道車輛車體的理想材料。由于車體是軌道車輛重要的承載結(jié)構(gòu)，需要具備足夠的強(qiáng)度和剛度。為此，在鋁合金車體設(shè)計(jì)階段，要配合有限元仿真，分析相關(guān)力學(xué)性能，以校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)需求。

一、型材中性面截面庫(kù)建設(shè)思路

鋁合金車體中性面建模，一般在三維設(shè)計(jì)模型完成后開展，關(guān)鍵是創(chuàng)建中性面截面，然后基于中性面截面拉伸成型材，并對(duì)型材中面厚度屬性設(shè)置和修剪編輯。

（一）中性面截面創(chuàng)建

基于底架邊梁型材三維設(shè)計(jì)模型，選擇能表征結(jié)構(gòu)特征的型材特征斷面，并在型材特征斷面所在平面內(nèi)，創(chuàng)建底架邊梁型材中性面截面，如圖1所示。

（二）定位參考點(diǎn)確定

由于鋁合金車體由不同種類和數(shù)量的型材裝配而成，為了將中性面模型直接放置在指定位置，采用三點(diǎn)定位法對(duì)型材中性面截面進(jìn)行定位。為便于計(jì)算型材中性面截面拉伸成中面模型時(shí)的長(zhǎng)度，選擇中性面截面所在型材特征斷面上的任意三個(gè)特征點(diǎn)作為定位參考點(diǎn)（三點(diǎn)非共線），底架邊梁中性面截面的定位參考點(diǎn)如圖2所示。

通過三點(diǎn)定位，可將中性面截面與型材特征斷面之間的位置關(guān)系和方向進(jìn)行綁定，后續(xù)在型材中性面截面庫(kù)應(yīng)用過程中，選擇型材三維設(shè)計(jì)模型任意截面上對(duì)應(yīng)的三個(gè)參考點(diǎn)，即可在該截面內(nèi)型材中性面位置上快速生成型材中性面截面。

（三）截面厚度屬性分組

由于型材結(jié)構(gòu)存在多種尺寸，為便于程序自動(dòng)對(duì)中性面模型賦厚度屬性，本文將型材中性面截面內(nèi)的線段按對(duì)應(yīng)型材的厚度屬性進(jìn)行分組，相同厚度線段放在同一個(gè)厚度屬性組，如圖3所示（顏色或數(shù)字相同的為同一厚度屬性）。同時(shí)，對(duì)厚度屬性分組進(jìn)行規(guī)范化命名，名稱是在模型編號(hào)（或名稱）后加厚度屬性信息，厚度屬性以字母“T”開頭，并加上厚度尺寸，厚度單位為mm。

由于型材厚度存在非整數(shù)情況，而HyperMesh軟件對(duì)小數(shù)點(diǎn)“.”容易造成識(shí)別錯(cuò)誤，導(dǎo)致信息獲取異常。為此，本文將厚度尺寸放大了100倍，基于此分類方式，該底架邊梁型材可分成5組厚度，如表1所示。

通過對(duì)型材中性面截面線段進(jìn)行分組和規(guī)范化命名，后續(xù)開發(fā)的仿真分析流程模板程序可根據(jù)分組名稱自動(dòng)對(duì)中性面模型進(jìn)行厚度屬性設(shè)置。

二、鋁合金車體型材中性面截面庫(kù)

（一）型材中性面截面庫(kù)建設(shè)

基于HyperMesh軟件，采用API函數(shù)及tcl/tk語言，通過點(diǎn)—線—面的逐層升維的方式，搭建鋁合金車體型材中性面截面庫(kù)。其軟件工作界面可分為五個(gè)工作區(qū)域，如圖4所示。

1.型材庫(kù)分類和列表工作區(qū)

按型材使用部位將型材分為底架、側(cè)墻、車頂、端墻、司機(jī)室、吊掛、通用結(jié)構(gòu)等庫(kù)，型材庫(kù)中的型材按特定的編號(hào)規(guī)則進(jìn)行列表。

2.型材結(jié)構(gòu)和定位參考點(diǎn)預(yù)覽工作區(qū)

選中（1）區(qū)中的型材編號(hào)，預(yù)覽型材三維結(jié)構(gòu)和定位參考點(diǎn)。

3.中性面截面創(chuàng)建工作區(qū)

按照（2）區(qū)中定位參考點(diǎn)示意，在三維設(shè)計(jì)模型任意截面內(nèi)，依次選擇對(duì)應(yīng)的三個(gè)參考點(diǎn)，在該截面內(nèi)的型材中性面位置上快速生成型材的中性面截面。

4.中性面拉伸工作區(qū)

基于（3）區(qū)中生成的中性面截面，選擇型材拉伸方向（可以雙向拉伸）和拉伸長(zhǎng)度，快速生成相應(yīng)的型材中性面模型。

5.補(bǔ)充型材中性面截面

對(duì)于型材庫(kù)中不存的型材中面信息，可通過此功能補(bǔ)充和完善中性面截面信息。

（二）基于中性面截面庫(kù)的有限元建模流程

本文以某鋁合金車體底架邊梁型材（型材編號(hào)為214－020001）為例，描述基于型材中性面截面庫(kù)創(chuàng)建中性面模型的過程。

基于三維設(shè)計(jì)模型的名稱、所在部位以及結(jié)構(gòu)形狀，從型材中性面截面庫(kù)中找到相應(yīng)的型材，查看和確認(rèn)型材截面，如圖4所示。

創(chuàng)建中性面截面，參考圖4中的型材特征參考點(diǎn)的位置，從三維設(shè)計(jì)模型上依次選擇對(duì)應(yīng)的三個(gè)參考點(diǎn)，軟件自動(dòng)在選定參考點(diǎn)所在的型材截面內(nèi)創(chuàng)建型材中性面截面，如圖1（b）所示；并將中性面截面按厚度屬性自動(dòng)分組，如圖5所示。

中性面模型生成及編輯，基于生成的中性面截面，輸入型材拉伸長(zhǎng)度和選擇型材拉伸方向，拉伸形成中性面模型，如圖6所示，圖中不同顏色表示厚度屬性不同。

同時(shí)，對(duì)于需要編輯的中性面模型，基于HyperMesh的模型編輯功能，修剪和編輯中性面模型。

三、有限元仿真分析流程封裝

鑒于鋁合金車體有限元分析過程復(fù)雜、繁瑣且復(fù)用性較差的情況，基于HyperMesh軟件，借助API函數(shù)及tcl/tk語言，將鋁合金車體有限元仿真分析過程中的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了固化和封裝，并定制成不同功能的有限元仿真分析模板，如圖7所示。

通過仿真分析流程模板搭建，將原來手工操作的仿真分析工作自動(dòng)化或半自動(dòng)化處理，快速生成帶邊界條件和工況設(shè)置的有限元前處理網(wǎng)格模型文件，降低仿真建模難度，提高仿真分析效率，增加仿真知識(shí)的復(fù)用性。

四、案例驗(yàn)證

本文以某鋁合金車體為例，分別基于原手工操作和基于研究成果工作的兩種模式分別進(jìn)行整個(gè)車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度有限元分析，包括編寫仿真分析報(bào)告等內(nèi)容。由于研究成果的工作方式，實(shí)際上是基于原手工操作方式的程序化處理，有限元仿真分析結(jié)果及報(bào)告內(nèi)容與原手工操作方式的結(jié)果一致。

本文重點(diǎn)對(duì)比兩種建模分析方式的效率，基于研究成果，有限元前處理建模時(shí)間由原來手工操作的30天減少為18天，效率提升40%；后處理分析及報(bào)告生成由原來手工操作的4天減少為2天，效率提升50%；整個(gè)有限元仿真分析過程由原來的34天減少為20天，綜合有限元分析效率提升41%。

五、結(jié)語

通過對(duì)鋁合金車體有限元建模過程和建模方式進(jìn)行研究，基于HyperMesh軟件，搭建包括厚度屬性信息的型材中性面截面庫(kù)，快速生成車體型材有限元中性面模型；同時(shí)，對(duì)鋁合金車體結(jié)構(gòu)有限元仿真分析過程中的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行固化和封裝，定制包括模型獲取、特征簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分，材料屬性、焊縫創(chuàng)建、連接創(chuàng)建、邊界條件設(shè)置、結(jié)果查看及報(bào)告生成等不同功能的有限元仿真分析模板，將原來手工操作的仿真分析工作自動(dòng)化或半自動(dòng)化處理，以此降低仿真建模難度，提高仿真分析效率。

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通訊作者：董靜（1987），女，碩士研究生，高級(jí)工程師。