軌道車輛鋁合金車體有限元快速建模技術研究

董靜 高永海 婁斌

摘要：針對軌道車輛鋁合金車體結構有限元建模過程復雜、繁瑣且容易出錯的情況，本文主要研究鋁合金車體型材結構有限元建模方式，提出型材中性面截面庫的概念，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，以快速創建型材中性面模型；同時，將有限元仿真分析過程中的規范和經驗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展，高品質、輕量化、高速度的車輛成為主流趨勢，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構，需要具備足夠的強度和剛度。為此，在鋁合金車體設計階段，要配合有限元仿真，分析相關力學性能，以校核其結構強度是否滿足標準需求。

一、型材中性面截面庫建設思路

鋁合金車體中性面建模，一般在三維設計模型完成后開展，關鍵是創建中性面截面，然后基于中性面截面拉伸成型材，并對型材中面厚度屬性設置和修剪編輯。

（一）中性面截面創建

基于底架邊梁型材三維設計模型，選擇能表征結構特征的型材特征斷面，并在型材特征斷面所在平面內，創建底架邊梁型材中性面截面，如圖1所示。

（二）定位參考點確定

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

通過三點定位，可將中性面截面與型材特征斷面之間的位置關系和方向進行綁定，后續在型材中性面截面庫應用過程中，選擇型材三維設計模型任意截面上對應的三個參考點，即可在該截面內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

由于型材結構存在多種尺寸，為便于程序自動對中性面模型賦厚度屬性，本文將型材中性面截面內的線段按對應型材的厚度屬性進行分組，相同厚度線段放在同一個厚度屬性組，如圖3所示（顏色或數字相同的為同一厚度屬性）。同時，對厚度屬性分組進行規范化命名，名稱是在模型編號（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情況，而HyperMesh軟件對小數點“.”容易造成識別錯誤，導致信息獲取異常。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。

通過對型材中性面截面線段進行分組和規范化命名，后續開發的仿真分析流程模板程序可根據分組名稱自動對中性面模型進行厚度屬性設置。

二、鋁合金車體型材中性面截面庫

（一）型材中性面截面庫建設

基于HyperMesh軟件，采用API函數及tcl/tk語言，通過點—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。其軟件工作界面可分為五個工作區域，如圖4所示。

1.型材庫分類和列表工作區

按型材使用部位將型材分為底架、側墻、車頂、端墻、司機室、吊掛、通用結構等庫，型材庫中的型材按特定的編號規則進行列表。

2.型材結構和定位參考點預覽工作區

選中（1）區中的型材編號，預覽型材三維結構和定位參考點。

3.中性面截面創建工作區

按照（2）區中定位參考點示意，在三維設計模型任意截面內，依次選擇對應的三個參考點，在該截面內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

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

5.補充型材中性面截面

對于型材庫中不存的型材中面信息，可通過此功能補充和完善中性面截面信息。

（二）基于中性面截面庫的有限元建模流程

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

基于三維設計模型的名稱、所在部位以及結構形狀，從型材中性面截面庫中找到相應的型材，查看和確認型材截面，如圖4所示。

創建中性面截面，參考圖4中的型材特征參考點的位置，從三維設計模型上依次選擇對應的三個參考點，軟件自動在選定參考點所在的型材截面內創建型材中性面截面，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，對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雜、繁瑣且復用性較差的情況，基于HyperMesh軟件，借助API函數及tcl/tk語言，將鋁合金車體有限元仿真分析過程中的規范和經驗進行了固化和封裝，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化或半自動化處理，快速生成帶邊界條件和工況設置的有限元前處理網格模型文件，降低仿真建模難度，提高仿真分析效率，增加仿真知識的復用性。

四、案例驗證

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行整個車體結構靜強度有限元分析，包括編寫仿真分析報告等內容。由于研究成果的工作方式，實際上是基于原手工操作方式的程序化處理，有限元仿真分析結果及報告內容與原手工操作方式的結果一致。

本文重點對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、結語

通過對鋁合金車體有限元建模過程和建模方式進行研究，基于HyperMesh軟件，搭建包括厚度屬性信息的型材中性面截面庫，快速生成車體型材有限元中性面模型；同時，對鋁合金車體結構有限元仿真分析過程中的規范和經驗進行固化和封裝，定制包括模型獲取、特征簡化、網格劃分，材料屬性、焊縫創建、連接創建、邊界條件設置、結果查看及報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化或半自動化處理，以此降低仿真建模難度，提高仿真分析效率。

參考文獻：

[1]王炎金，鋁合金車體焊接工藝[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]楊瑞欣，黃潤濤.A型鋁合金地鐵車體靜強度仿真分析[J].現代城市軌道交通，2021（07）：42-46.

[3]李佳.鋁合金車體結構強度分析與碰撞仿真研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[4]王子業.地鐵鋁合金車體結構仿真分析與疲勞壽命預測[D].上海：上海應用技術大學，2020.

[5]陶斯嘉.A型地鐵鋁合金車體結構仿真分析[D].大連：大連交通大學，2018.

[6]王玥龍，宋永增，孫妍婷，等.基于IGES的鋁合金車體結構中性面抽取的研究[J].鐵路計算機應用，2012，21（04）：5-8.

通訊作者：董靜（1987），女，碩士研究生，高級工程師。