轉向架構架靜強度仿真模板開發研究

段華東，李云召，蔣忠城

(南車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001)

轉向架構架靜強度仿真模板是南車株洲電力機車有限公司封裝構架靜強度分析和自由模態分析的完整過程、行業規范、計算分析方法和分析參數，為設計人員、分析人員定制開發的專業仿真分析向導工具。該模板應用ANSYSWorkBench的集成和應用平臺實現流程化分析和參數化設置，完成構架CAD-CAE的協同仿真和多工況多方案設計與優化，突出優點是將構架仿真過程集成化、中文向導化、工程定制化。

模板開發按國際鐵路聯盟UIC 615-4《動力車—轉向架和走行部—轉向架構架結構強度測試》等標準封裝工況及對應載荷，同時積累了專家級的研究經驗。主要定制功能如下:

(1)交互式操作界面，可視圖形化管理;

(2)實現材料數據、分析數據和仿真操作幫助信息的封裝;

(3)支持多工況分類定義，封裝工況與對應載荷的關聯關系;

(4)通過APDL命令流定義彈簧單元封裝約束條件;

(5)支持多工況的結果合成;

(6)可按用戶提供的仿真報告模板自動生成固定文字、有明確定義的數據表格和圖片，形成規范化的仿真報告［1］;

(7)具有開放的功能接口，用戶可定制其他特殊工況進行構架計算。

1 關鍵技術分析

1.1 建立分析流程

如圖1所示，整個分析流程集中在DM處理和DS處理過程，DM進行幾何模型處理，而仿真模板主要實現DS過程，包括導入定制的構架仿真模板平臺、建立工程文件、網格劃分、工況定義、計算參數與工作面定義、邊界條件定義、多工況求解設置和仿真報告自動生成。

如圖2所示，模板界面嵌入DS中，運用DHTML技術(Html+JavaScript+CSS)搭建動態網頁界面，調用ANSYSWorkbench Mechanical的內置功能函數、各種外部函數和外部應用程序實現模塊功能［1］。

圖1 構架仿真模板的分析流程圖

1.2 數據無縫輸入接口定制

CAD-CAE一體化協同技術主要實現CAD模型的無縫導入CAE功能，且實現CAD與CAE的交互性及參數傳遞。以往的CAE模型，均需要從CAD系統導入，但需要復雜繁瑣的模型修復過程;而在ANSYS經典中建立模型浪費大量人力物力，而且結果不理想［2］。

ANSYSWorkBench具有定制的數據輸入接口，無需修復可批量導入 STEP、IGES、PARASOLID、SAT、UG、ANSYSNEUTRAL等WorkBench所支持的類型，而且可實現交互性和參數傳遞。

1.3 DM模型處理

由于WorkBench具有無縫導入CAD模型功能，CAD模型自帶的部件干涉，細小碎面、小邊等影響DS操作。為此DM設置有Fault Detection錯誤檢查、Small Entity Search碎面小邊檢查、Body Clash Detec-tion干涉檢查以及Repair修理和Body Operation體操作等模型處理功能。另外，考慮到構架為多體單元，實為焊接構件，故采用Form New Part功能將不同構件重新組合成多體零部件以共享幾何拓撲及節點。

圖2 構架仿真模板界面示意圖

1.4 高斯積分點應力結果設置

模板具有多種應力結果設置功能，常用的是Von-Mises應力。但為增加計算精度，構架模板的應力結果增加了高斯積分點，這些點的收斂性好、計算精度高。高斯積分方法具有最高的計算精度，采用n個積分點的高斯積分可以達到2n－1階的精度。很多情況下，實際選取的高斯積分點數低于精確積分的要求，往往可以取得比完全精確積分更好的精度。

2 主要模塊實現

2.1 DS 網格處理

網格劃分模塊設置各幾何部件的單元尺寸和網格劃分方法，包括全局Curvature和Proximity，最終生成離散模型。網格劃分主要分自動劃分、六面體為主、四面體的體網格劃分方法和四邊形、三角形的面體網格劃分方法;模板能選擇不同零部件的CAE模型，能夠基于幾何點、線、面、體自動劃分對應類型的高質量單元，能夠基于節點自動生成rbe剛性節點、mass質量、spring彈簧、beam梁等特殊單元類型，且封裝包括18系列在內的所有常見單元類型。

網絡劃分模塊能統計產生的節點數和單元數，并且進行簡單的網格質量檢查如Skewness單元畸變度、Aspect Ratio縱橫比、Jacobian Ratio雅克比，且可對級別較差的單元細分處理。

2.2 載荷工況設置

工況設置模塊設置工況35個，其中主要運營工況14個、超常載荷工況10個、特殊運營工況10個、模態分析工況1個。這些工況主要依據UIC 615－4等標準列出了所有常見載荷工況以供選擇，并能夠直接對所選擇工況中的載荷數值、加載位置等進行參數化設置并自動加載。該模塊能進行單個或多個工況選擇，也能進行不同工況類別選擇，而且設置了每個工況的幫助信息。

2.3 計算參數設置

計算參數模塊封裝了所有計算參數、載荷施加面、約束施加面、參考面及參考線等。計算參數定義子模塊顯示與已定義工況相關聯的參數，可方便交互輸入參數;幾何面定義子模塊顯示與已定義工況相關聯的幾何部件，幾何分組界面展開時會檢測各幾何部件是否已經被定義;點選預定義的加載面和約束面，實現對應區域的快速定義。另外通過參數定義，可以定義模擬實際力作用位置的遠程點及遠程力等。

2.4 載荷和邊界設置

載荷和邊界設置模塊封裝強度分析中已定義工況所有涉及的載荷和約束定義，并能夠直接對所選擇工況的載荷和約束條件進行選擇性設置。基于已設置完畢的載荷區域，通過仿真模板的載荷設置窗口，輸入載荷類型、各向載荷分量等參數，實現載荷的快速自動化添加。所有約束均通過APDL命令流實現，并顯示約束進度條。

2.5 批量求解及后處理功能

批量求解模塊能夠一次提交一個或多個工況同時進行計算，實現無人值機計算。后處理功能，實現典型仿真結果的自動提取和分析報告的自動生成。根據求解結果的需要，在模板界面中，可勾選高斯積分點應力結果，可單獨勾選基本工況組下的某些工況，可勾選完全合成工況(含制動)或者完全合成工況(含牽引)。如果需要將計算結果輸出到計算報告中，請勾選典型合成工況組下的典型工況，所有計算結果能插入在定制化的仿真報告中。

3 案例分析

基于上述模板，分析了某型地鐵構架的靜強度。構架模型的離散采用帶中間節點的高階四面體單元SOLID187，局部面體單元采用SURF154細化;一系彈簧座采用縱向、橫向及垂向彈簧單元COMBIN14以便較好地模擬實際支撐情況。計算模型節點總數為1 994 522個，單元總數為1 182 784個，離散模型見圖3，加載模型見圖4，高斯積分點應力結果見圖5，模態振型見6。

圖3 離散模型示意圖

圖4 加載位置示意圖

圖5 高斯積分點應力結果示意圖

圖6 模態振型示意圖

4 結束語

基于ANSYS WorkBench的構架靜強度仿真模板開發實踐，將工程實際需求轉化為軟件應用，實現了分析過程與分析工具的高度統一和緊密結合及其可視圖形化管理。

可幫助仿真人員減少重復性的手動操作以及實現手動操作無法實現的功能，提升了仿真人員分析能力，且能引導初學者快速熟悉仿真業務，為后續模板的開發提供了經驗和參考依據。

［1］岳 勇.基于 ANSYS WorkBench的仿真模板二次開發［J］.數字技術與應用，2012，(3):140-141.

［2］楊國旗，虞 彪.基于ANSYSWorkBench的發動機連桿有限元分析［J］.裝備制造技術，2011，(10):23-25.