转向架构架静强度仿真模板开发研究

段华东，李云召，蒋忠城

(南车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001)

转向架构架静强度仿真模板是南车株洲电力机车有限公司封装构架静强度分析和自由模态分析的完整过程、行业规范、计算分析方法和分析参数，为设计人员、分析人员定制开发的专业仿真分析向导工具。该模板应用ANSYSWorkBench的集成和应用平台实现流程化分析和参数化设置，完成构架CAD-CAE的协同仿真和多工况多方案设计与优化，突出优点是将构架仿真过程集成化、中文向导化、工程定制化。

模板开发按国际铁路联盟UIC 615-4《动力车—转向架和走行部—转向架构架结构强度测试》等标准封装工况及对应载荷，同时积累了专家级的研究经验。主要定制功能如下:

(1)交互式操作界面，可视图形化管理;

(2)实现材料数据、分析数据和仿真操作帮助信息的封装;

(3)支持多工况分类定义，封装工况与对应载荷的关联关系;

(4)通过APDL命令流定义弹簧单元封装约束条件;

(5)支持多工况的结果合成;

(6)可按用户提供的仿真报告模板自动生成固定文字、有明确定义的数据表格和图片，形成规范化的仿真报告［1］;

(7)具有开放的功能接口，用户可定制其他特殊工况进行构架计算。

1 关键技术分析

1.1 建立分析流程

如图1所示，整个分析流程集中在DM处理和DS处理过程，DM进行几何模型处理，而仿真模板主要实现DS过程，包括导入定制的构架仿真模板平台、建立工程文件、网格划分、工况定义、计算参数与工作面定义、边界条件定义、多工况求解设置和仿真报告自动生成。

如图2所示，模板界面嵌入DS中，运用DHTML技术(Html+JavaScript+CSS)搭建动态网页界面，调用ANSYSWorkbench Mechanical的内置功能函数、各种外部函数和外部应用程序实现模块功能［1］。

图1 构架仿真模板的分析流程图

1.2 数据无缝输入接口定制

CAD-CAE一体化协同技术主要实现CAD模型的无缝导入CAE功能，且实现CAD与CAE的交互性及参数传递。以往的CAE模型，均需要从CAD系统导入，但需要复杂繁琐的模型修复过程;而在ANSYS经典中建立模型浪费大量人力物力，而且结果不理想［2］。

ANSYSWorkBench具有定制的数据输入接口，无需修复可批量导入 STEP、IGES、PARASOLID、SAT、UG、ANSYSNEUTRAL等WorkBench所支持的类型，而且可实现交互性和参数传递。

1.3 DM模型处理

由于WorkBench具有无缝导入CAD模型功能，CAD模型自带的部件干涉，细小碎面、小边等影响DS操作。为此DM设置有Fault Detection错误检查、Small Entity Search碎面小边检查、Body Clash Detec-tion干涉检查以及Repair修理和Body Operation体操作等模型处理功能。另外，考虑到构架为多体单元，实为焊接构件，故采用Form New Part功能将不同构件重新组合成多体零部件以共享几何拓扑及节点。

图2 构架仿真模板界面示意图

1.4 高斯积分点应力结果设置

模板具有多种应力结果设置功能，常用的是Von-Mises应力。但为增加计算精度，构架模板的应力结果增加了高斯积分点，这些点的收敛性好、计算精度高。高斯积分方法具有最高的计算精度，采用n个积分点的高斯积分可以达到2n－1阶的精度。很多情况下，实际选取的高斯积分点数低于精确积分的要求，往往可以取得比完全精确积分更好的精度。

2 主要模块实现

2.1 DS 网格处理

网格划分模块设置各几何部件的单元尺寸和网格划分方法，包括全局Curvature和Proximity，最终生成离散模型。网格划分主要分自动划分、六面体为主、四面体的体网格划分方法和四边形、三角形的面体网格划分方法;模板能选择不同零部件的CAE模型，能够基于几何点、线、面、体自动划分对应类型的高质量单元，能够基于节点自动生成rbe刚性节点、mass质量、spring弹簧、beam梁等特殊单元类型，且封装包括18系列在内的所有常见单元类型。

网络划分模块能统计产生的节点数和单元数，并且进行简单的网格质量检查如Skewness单元畸变度、Aspect Ratio纵横比、Jacobian Ratio雅克比，且可对级别较差的单元细分处理。

2.2 载荷工况设置

工况设置模块设置工况35个，其中主要运营工况14个、超常载荷工况10个、特殊运营工况10个、模态分析工况1个。这些工况主要依据UIC 615－4等标准列出了所有常见载荷工况以供选择，并能够直接对所选择工况中的载荷数值、加载位置等进行参数化设置并自动加载。该模块能进行单个或多个工况选择，也能进行不同工况类别选择，而且设置了每个工况的帮助信息。

2.3 计算参数设置

计算参数模块封装了所有计算参数、载荷施加面、约束施加面、参考面及参考线等。计算参数定义子模块显示与已定义工况相关联的参数，可方便交互输入参数;几何面定义子模块显示与已定义工况相关联的几何部件，几何分组界面展开时会检测各几何部件是否已经被定义;点选预定义的加载面和约束面，实现对应区域的快速定义。另外通过参数定义，可以定义模拟实际力作用位置的远程点及远程力等。

2.4 载荷和边界设置

载荷和边界设置模块封装强度分析中已定义工况所有涉及的载荷和约束定义，并能够直接对所选择工况的载荷和约束条件进行选择性设置。基于已设置完毕的载荷区域，通过仿真模板的载荷设置窗口，输入载荷类型、各向载荷分量等参数，实现载荷的快速自动化添加。所有约束均通过APDL命令流实现，并显示约束进度条。

2.5 批量求解及后处理功能

批量求解模块能够一次提交一个或多个工况同时进行计算，实现无人值机计算。后处理功能，实现典型仿真结果的自动提取和分析报告的自动生成。根据求解结果的需要，在模板界面中，可勾选高斯积分点应力结果，可单独勾选基本工况组下的某些工况，可勾选完全合成工况(含制动)或者完全合成工况(含牵引)。如果需要将计算结果输出到计算报告中，请勾选典型合成工况组下的典型工况，所有计算结果能插入在定制化的仿真报告中。

3 案例分析

基于上述模板，分析了某型地铁构架的静强度。构架模型的离散采用带中间节点的高阶四面体单元SOLID187，局部面体单元采用SURF154细化;一系弹簧座采用纵向、横向及垂向弹簧单元COMBIN14以便较好地模拟实际支撑情况。计算模型节点总数为1 994 522个，单元总数为1 182 784个，离散模型见图3，加载模型见图4，高斯积分点应力结果见图5，模态振型见6。

图3 离散模型示意图

图4 加载位置示意图

图5 高斯积分点应力结果示意图

图6 模态振型示意图

4 结束语

基于ANSYS WorkBench的构架静强度仿真模板开发实践，将工程实际需求转化为软件应用，实现了分析过程与分析工具的高度统一和紧密结合及其可视图形化管理。

可帮助仿真人员减少重复性的手动操作以及实现手动操作无法实现的功能，提升了仿真人员分析能力，且能引导初学者快速熟悉仿真业务，为后续模板的开发提供了经验和参考依据。

［1］岳 勇.基于 ANSYS WorkBench的仿真模板二次开发［J］.数字技术与应用，2012，(3):140-141.

［2］杨国旗，虞 彪.基于ANSYSWorkBench的发动机连杆有限元分析［J］.装备制造技术，2011，(10):23-25.