交互式參數化軌道交通車輛制動盤熱仿真系統*

左建勇 王新偉 宋仕強 夏銘辰

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院, 201804, 上海∥第一作者, 教授)

列車在制動過程中會產生大量能量,導致制動盤急劇升溫,同時對制動盤的熱負荷能力要求也相應有所提高。在制動盤的設計方法中,需要根據列車的實際運行工況進行仿真分析,這對縮短設計周期、節約研發成本起到了極其重要的作用。軌道交通車輛的參數和工況類型較多,仿真過程較為復雜。對于城市軌道交通及高鐵車輛而言,其運行過程存在反復啟動和制動操作,對這類線路的運行工況進行仿真時,前期載荷計算及輸入工作量極大,仿真研究效率較低。

APDL語言是ANSYS軟件內置的參數化設計語言,利用APDL語言可以便捷地組織ANSYS軟件的操作命令,實現對ANSYS軟件的二次開發功能。本文結合VB語言與APDL語言,實現對ANSYS軟件的后臺調用與自動化仿真,并構建交互式界面降低仿真操作難度。在ANSYS軟件的后臺仿真過程中,利用VB語言生成相應的APDL命令流,從而實現仿真中的前處理、計算與后處理的全部過程,提高了仿真效率。

本文針對制動盤仿真復雜且耗時的問題,利用VB語言建立了一種交互式參數化軌道交通車輛制動盤熱仿真系統(以下簡稱“制動盤熱仿真系統”),通過調用APDL語言實現制動盤自動化參數仿真,提高了制動盤仿真效率,降低了ANSYS仿真軟件的操作門檻,為實際工程的應用帶來了便捷。

1 交互式參數化熱仿真原理

1.1 制動盤熱仿真原理

車輛制動時,夾鉗帶動閘片夾緊制動盤,制動盤與閘片摩擦生熱。在進行制動盤的熱機耦合仿真時,為了減少仿真時間,根據制動盤循環對稱的特點,選取制動盤的1/8模型(以軸盤為例)進行仿真。制動盤仿真模型如圖1所示。

圖1 制動盤仿真模型

制動時,列車從初始速度經制動達到靜止狀態,摩擦熱能主要集中在制動盤中,假設摩擦產生的熱量在摩擦面上均勻分布,采用能量折算法計算熱流密度q(t)[1]:

q(t)=ηma(v0-at)/(2nA)

式中:

η——制動盤的熱吸收率;

m——軸重;

n——每軸制動盤數量;

A——制動盤摩擦面面積;

v0——制動初速度;

a——制動減速度;

t——制動時間。

在列車制動過程中,制動盤與空氣受到強制對流換熱作用,熱對流載荷主要與列車運行速度和空氣參數有關。制動盤在仿真分析時,制動盤仿真載荷施加示意圖如圖2所示。

圖2 制動盤仿真載荷施加示意圖

1.2 車輛參數化

由制動盤熱仿真原理可知,進行仿真計算時需要確定列車編組、制動盤熱效率、制動盤裝配形式、列車速度工況及制動盤本構參數,根據仿真所需參數設計的車輛參數化界面軟件截圖如圖3所示。

圖3 車輛參數化界面軟件截圖

1.3 運行工況參數化

軌道交通車輛運行工況類型較多,在進行仿真計算時,將運行工況分為車輛一次制動、兩次連續制動、三次連續制動及線路運行等不同類型的運行工況。以三次連續制動為例,由制動盤熱仿真原理可知,需要已知車輛的運行速度及減速度等參數。根據仿真所需參數設計的運行工況參數化界面軟件截圖如圖4所示。在工況參數界面中,需輸入運行過程中的車輛惰行時間、停站時間、制動坡度、制動減速度及制動初速度等參數。

圖4 工況參數界面軟件截圖

2 制動盤熱仿真系統

軟件系統分為界面操作層、算例實現層和數據操作層三部分。仿真系統整體架構示意圖如圖5所示。界面操作層借助VB語言窗體,應用工程中提供的多種控件構建界面。算例實現層包括界面參數處理、ANSYS軟件運算、運算結果參數處理,通過獲取界面參數進行計算前預處理,生成完整的APDL代碼,再利用VB語言實現ANSYS軟件的調用,最后對計算結果進行處理并展示。數據操作層負責調用ANSYS軟件并存取生成的數據,通過VB語言對ANSYS軟件生成的數據文件進行讀寫,最終獲得包含仿真溫度結果和仿真應力結果的分析報告。

圖5 仿真系統整體架構示意圖

2.1 界面操作層

制動盤熱仿真系統基于VB語言建立外部人機交互界面,主要包括軟件開始界面、參數輸入界面及結果展示界面。操作人員在參數輸入界面輸入仿真計算所需參數,在仿真完成后,可在結果展示界面獲取仿真結果。

2.2 算例實現層

2.2.1 界面參數處理

操作人員在交互界面填寫仿真所需參數,如車輛參數、制動盤選擇、工況參數等。仿真系統根據操作者的參數設置,計算施加在制動盤上的熱載荷,并輸出APDL命令流。命令流主要包括前處理模塊、仿真計算模塊和后處理模塊。APDL命令流模塊組成示意圖如圖6所示。

圖6 APDL命令流模塊組成示意圖

2.2.2 ANSYS軟件運算

仿真系統將VB語言與ANSYS軟件結合起來,在生成完整的APDL命令流之后,使用VB語言后臺調用ANSYS軟件進行計算[2]。調用程序的關鍵代碼為:

Dim x As Double x=Shell("D:ANSYSAnsys190ANSYSIncv190ansysinintelANSYS190.exe-b-pane3fl-iD:ansys.txt-oD: esult.txt" , vbNor-malFocus)

2.2.3 運算結果參數處理

ANSYS軟件運算完成后,根據APDL命令流生成jpg格式的溫度云圖和應力云圖,以及包含結果時間歷程數據的txt文件。

2.3 數據操作層

結束計算后,制動盤熱仿真系統調用ANSYS軟件生成的數據文件進行讀寫。利用VB語言的圖片處理和字符串處理功能,在結果展示界面顯示仿真結果。將仿真結果插入Word報告對應位置,生成一份完整的仿真報告。

3 仿真案例

以某型車輛為例,基于制動盤熱仿真系統對其制動盤進行仿真計算,獲得制動盤的溫度和應力計算結果,并將仿真結果與文獻[3]的試驗結果進行對比。同時,由于手動操作ANSYS軟件需要進行參數定義、施加載荷計算、網格劃分等繁瑣操作,記錄制動盤熱仿真系統完成仿真所需時間及手動操作ANSYS軟件完成相同案例仿真所需時間,并對二者進行對比分析。

3.1 仿真參數

計算車輛在最大載荷狀態、平直道條件下的制動盤一次純空氣緊急制動結果。車輛及工況主要參數如表1所示。

表1 車輛及工況主要參數[3]

3.2 仿真結果

通過制動盤熱仿真系統對上述模型進行仿真,仿真結束后,在仿真結果界面查看制動盤的溫度仿真結果和應力仿真結果,如圖7所示。

a) 溫度

3.3 仿真結果對比

對比制動盤溫度仿真結果與文獻[3]的測試結果,如圖8所示。由圖8可知,整個制動過程中仿真結果與試驗結果的溫度誤差在5%范圍內,證明制動盤熱仿真系統的計算結果具有較高的準確性。

圖8 制動盤溫度仿真結果與測試結果對比

制動盤熱仿真系統的仿真時間為6 min,手動操作ANSYS軟件仿真時間為62 min。這是由于熱仿真系統無需進行繁瑣的參數定義、網格劃分、載荷施加、結果提取等復雜的ANSYS界面處理操作。由此可知,制動盤熱仿真系統能夠大幅提高仿真計算效率。

4 結論

1) 介紹了交互式參數化軌道交通車輛制動盤熱仿真系統,闡明了熱仿真系統的實現過程。

2) 以某型車輛為例,通過制動盤熱仿真系統進行仿真分析,并將仿真結果與文獻試驗結果進行對比,驗證制動盤熱仿真系統的準確性及可靠性。

3) 制動盤熱仿真系統將仿真計算時間從手動操作的62 min減少至6 min,可以有效提高仿真計算效率。