復合材料磁懸浮列車車體結構數值模擬（III）

王人鵬 周勇 程玉民

摘要：在磁懸浮列車車體參數化數值模型的基礎上，開展參數變化對車體結構性能影響的數值試驗，研究復合材料梁截面幾何參數對車體剛度和頻率的影響。在典型荷載工況下，研究關鍵設計參數對車體結構性能、結構部件連接模型的力學性能、車體頻率和振型、車體結構線性屈曲性能的影響，確定關鍵設計參數對復合材料車體結構性能的影響趨勢，為車體優化設計奠定基礎，驗證將參數化車體數值模型作為車體結構性能研究的有效性。

關鍵詞：

磁懸浮列車; 結構性能; 關鍵參數; 優化

中圖分類號：U266.4; TB115.1

文獻標志碼：B

Numerical simulation on composite vehicle structure of

maglev train （III）：

Parametric numerical simulation of 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 numerical model of maglev train body， the numerical test on the effect of parameter variation on body structural performance is carried out， and the influence of geometric parameters of composite beam section on the vehicle body stiffness and frequency is studied. Under the typical load conditions， the influences of the key design parameters on vehicle body are discussed， that contains the structure performance of vehicle body， the mechanical properties of connection model of structural components， the vehicle body frequency and vibration mode， and the linear buckling behavior of vehicle body structure. The influence trendency of key design parameters on the structural performance of composite vehicle body is confirmed. The results can provide a foundation for the vehicle body optimization design， and the study on vehicle body structure performance by using the parameterized numerical model of vehicle body is verified.

Key words：

maglev train; structure performance; key parameter; optimization

0?引?言

復合材料數值分析，尤其是復合材料結構優化設計和敏感度分析，涉及復雜的理論和計算過程[1?6]，實現真實車體結構優化的工作不多見。Siemens NX提供建立高度參數化車體數值模型的軟件環境。[7?8]在已經完成的參數化車體數值模型[9]的基礎上，可以有效模擬各關鍵設計參數對結構性能影響，獲得結構性能變化趨勢[10]，實現真實的車體優化設計。雖然通過實驗室試驗方式獲取結構性能變化趨勢具備試驗數據的真實可靠性，但高昂的試驗費用無法接受，因此數值試驗及數字樣機是當前高端設計的發展方向。

1?復合材料鋪層設計的參數化影響

車體結構性能受高性能復合材料的設計影響很大，包括復合材料纖維的力學性能、鋪層設計等，其中鋪層設計因素包括鋪層材料屬性、鋪層方式、鋪層角度和鋪層厚度等。磁懸浮列車車體確定選擇高性能碳纖維材料，因而可選的參數是鋪層數、鋪層角度和鋪層厚度。為節省篇幅，只給出車身殼體鋪層數對車體結構性能影響的數值試驗結果。車體結構性能變化以車體變形為代表，在相同條件下車身殼體材料鋪層數分別取16、18、20和24時的車體變形見圖1。

由此可知，車身殼體鋪層數，即車身殼體厚度對車體剛度影響很大，車體變形差異可達10 mm。因此，可以確定復合材料車身殼體是決定車體結構性能的主要因素之一。此外，橫向和縱向復合材料梁系的鋪層數也對車體結構有重要影響。同時，鋪層數目的影響變化不是線性的，說明復合材料結構性能復雜。

復合材料鋪層設計對車體頻率和振型分布影響也較大。車身殼體材料鋪層數分別取16、18、20和24時對應的車體模態頻率見表1，對應的第1階振型見圖2。

由此可知，鋪層設計對車體頻率和振型分布影響復雜，不但頻率數值不同，而且振型分布也不同。改變鋪層數可獲得滿足車體振動要求的復合材料鋪層設計。大量的數值模擬可以獲得鋪層數對前若干階頻率影響的預測函數及其相應振型的預測函數，對提高車體振動品質有很大幫助。這類參數影響很難通過解析方法獲得，只能通過數值模擬試驗獲取。車體樣機試驗費用高昂，不具備現實可能性。

2?橫向復合材料梁截面對車體性能的影響

車體結構部件幾何形狀和尺寸對車體結構性能

影響很大。車體幾何模型參數量很大，針對這些幾何參數可以形成更大量的參數組合，每一個參數組合都對應一種車體幾何模型，對每個車體模型都完成相應的數值模擬，從而可以得到車體幾何參數對車體結構性能的影響規律。為節省篇幅，此處僅以橫向復合材料梁截面參數為代表，給出數值模擬結果。當橫向復合材料梁的連接深度p1（參數定義請參見文獻[9]）分別取190、200、210和220 mm時，在其他條件相同的情況下車體結構變形對比見圖3，對應的車體模態頻率見表2、第1階振型見圖4。

由此表明，幾何參數p1對結構剛度、模態頻率和振型影響都很大，因此可以確定參數p1是關鍵參數之一。

3?縱向復合材料梁截面對車體性能的影響

設定縱向復合材料梁截面參數p13、p14、p18、p19、

p29和p40（參數定義請參見文獻[9]）取相同值d，當p1取值為220 mm，d分別取140、160、180和200 mm，在其他條件相同的情況下復合材料車體變形見圖5，對應的各階模態頻率見表3、第1階振型見圖6。

由此表明，縱向復合材料截面幾何參數p13、p14、p18、p19、p29和p40對車體結構剛度、車體模態頻率和振型分布影響明顯，因而可以確認這些參數均為設計關鍵參數，在后續的結構優化設計中需要特別注意。

4?結束語

數值模擬試驗得到若干離散結果，表明復合材料鋪層數、橫向復合材料梁截面參數和縱向復合材料梁截面參數對車體剛度、模態頻率和振型均影響明顯，復合材料鋪層數影響尤其重要。除此之外，依然有大量的模擬工作需要完成，比如連接性能影響，包括連接結構幾何參數和不同連接模型的影響等。為得到有效的結構性能預測函數，需要海量的數值模擬試驗，目前，此項工作還在進行中。有限的數值模擬結果已經表明，通過改變上述設計參數，可以提供完善車體結構設計的有效途徑。

參數變量對車體結構性能影響的數值模擬，可以高效、準確地確認有關設計參數變化對車體結構性能的影響，助力車體設計優化。

參考文獻：

[1] DANIEL I M， ISHAI O. Engineering mechanics of composite materials[M]. 2rd ed. Oxford： Oxford University Press， 2005.

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[3]?LENGSFELD H. Composite technology： Prepregs and monolithic part fabrication technologies[M]. Cincinnati： Hanser Publications， 2016.

[4]?KASSAPOGLOU C. Design and analysis of composite structures： With applications to aerospace structures[M]. 2rd ed. Hoboken： Wiley， 2013.

[5]?NJUGUNA J. Lightweight composite structures in transport： Design， manufacturing， analysis and performance[M]. Sawston： Woodhead Publishing， 2016.

[6]?CAMPBELL F C. Structural composite materials[M]. Geauga： ASM International， 2010.

[7]?DUHOVNIK J， DEMSAR I， DRESAR P. Space modeling with SolidWorks and NX[M]. Berlin： Springer， 2015.

[8]?Siemens PLM Software users manual[Z]. Torrance， 2018. https：//www.plm.automation.siemens.com/global/zh?cn/index.html.

[9]?王人鵬， 周勇， 程玉民. 復合材料磁浮車體結構數值模擬（I）： 適應車體設計的參數化有限元模型[J]. 計算機輔助工程， 2019，28（3）： 54?60.

[10]?王人鵬， 周勇， 程玉民. 復合材料磁浮車體結構數值模擬（II）： 車體結構性能數值模擬試驗[J]. 計算機輔助工程， 2019， 28（4）： 59?63.

（編輯?武曉英）