基于Abaqus的高速列车车体传热系数仿真优化计算

崔海英　李鑫

摘要： 以静止状态下某高速列车车体为研究对象，将其复杂的内外热交换系统简化为车体壁和冷桥两部分，运用Abaqus仿真计算得到整车传热系数；与相似设计的动车组车体实验结果对比可知仿真结果合理可靠.编写Python脚本实现在Abaqus后处理中显示车体壁传热系数K值云图的功能，以便于指导车体结构的优化设计；根据车体的原始设计并将选材成本考虑在内，提出的三种车体结构优化方案，使得整车传热系数降低10%.

关键词： 高速列车； 车体； 车体壁； 冷桥； 传热系数； 结构优化； Abaqus； Python

中图分类号： U270.383文献标志码： B

Abstract： A high-speed train body in a stationary state is taken as the research object， of which the complex internal and external heat exchange system is simplified as two parts： vehicle wall and cold bridge. The heat transfer coefficient of the vehicle is calculated by Abaqus simulation. By comparing with the experimental result of an Electric Multiple Unit train body with similar design， the simulation result is reasonable and reliable. The function that displays heat transfer coefficient contour of vehicle wall in post-processing of Abaqus is implemented by Python script. This method can be used for guiding optimization design of vehicle body structure. According to the original design of the vehicle body and taking the material cost into account， three optimization schemes about body structure are proposed， which can reduce vehicles heat transfer coefficient by 10 %.

Key words： high-speed train； vehicle body； vehicle wall； cold bridge； heat transfer coefficient； structure optimization； Abaqus； Python

0引言

高速列车不仅要保证安全高速地运行，还要为旅客和车上工作人员尽可能创造舒适的环境.为保持车室内温度恒定，除使用空调设备外，车体还必须具有良好的隔热性能，车体传热系数K便是衡量其隔热性能的重要参数.[1-2]采用计算机仿真技术不仅可以计算K值，还可以根据仿真结果指导车体结构优化.[3]现有的计算方法通常将车体三维传热问题简化为一维问题，误差较大，并且难以反映各种部件装配间隙对传热的影响.[4-5]另外，通用仿真软件不具备直观显示K值分布的功能，不利于提出结构热工优化方案.[6]

本文以静止状态下某高速列车车体为研究对象，通过Abaqus仿真计算其传热系数K，并与相似设计的动车组车体实验结果对比，通过二次开发实现在Abaqus后处理中显示车体壁K值云图的功能，最终提出降低整车K值的车体结构优化方案.

1计算方法

高速列车车体的内外热交换系统较为复杂，车顶部分的传热路径为：车体外侧涂料—中空铝型材—阻尼浆—隔热层—内饰件，车体内外壁之间还有各种冷桥结构交错组合.本文将此复杂的传热系统简化为车体壁和冷桥2部分，基于稳态传热原理，在不考虑辐射传热的前提下运用Abaqus仿真软件分别计算得到各部分的传热量，再通过式（1）计算整车传热系数K[7].K=ΦA（t高-t低）（1）式中：Φ为传热量，W；A为传热面积，m2；t高和t低分别为车体内、外侧温度，K.

2计算条件

设置车室内外的温度和车体内外的表面传热系数作为边界条件.根据《铁道客车采暖通风设计参数》[8]，静止状态下车体的边界条件为：车室外计算温度为280.5 K；车室内计算温度为305.5 K；车体外表面传热系数为16 W/（m2·K）；车体内表面传热系数为8 W/（m2·K）.车体结构使用材料的热导率见表1.另外，车体的风道结构中存在空气层，可查《实用供热空调设计手册》[9]得到热流水平及热流向下情况下不同厚度流动空气层的热导率，见表2.

3传热系数计算

3.1车体壁

车体壁是由各种均质材料层层叠加组合而成的.根据车体结构，将车体壁划分为4个区域：观光室、一位端通过台、客室和二位端，见图1.各区域又由若干子区域构成.仿真计算时先分析各子区域的传热路径，然后按照由车体外侧至车体内侧的铺层方向在Abaqus中建立各子区域的铺层简化模型，最后计算得到车体壁传热系数Kb.

4.2车窗和车门

计算车体壁面传热系数时，车窗和车门传热系数已知，分别为2.620和4.400 W/（m2·K）.根据市场调研，选用隔热性能更好的车窗和车门，可使其传热系数分别降低至1.900和4.000 W/（m2·K），则优化后整车Kz为1.184 W/（m2·K），比原始设计降低3.4%.

4.3二位端门

在原始设计时，该车二位端门的铺层结构为端门铝型材+空气层130 mm+三维铝蜂窝20 mm.可考虑在端门铝型材表面适当铺设隔热材料.若将铺层结构优化为端门铝型材+阻尼浆5 mm+碳纤维MCIII 30 mm+空气层95 mm+三维铝蜂窝20 mm，则优化后整车Kz为1.184 W/（m2·K），比原始设计降低3.4%.

5结论

（1）将高速列车车体复杂的内外热交换系统简化为车体壁和冷桥2部分，运用Abaqus仿真计算得到整车传热系数Kz为1.226 W/（m2·K），并与相似设计的动车组车体实验结果对比，误差为-9.2 %.考虑到本文忽略辐射传热且车体冷桥部位传热路径较为复杂，因此认为计算结果合理可靠.

（2）通过编写Python脚本实现在Abaqus后处理中显示车体壁传热系数Kb值云图的功能，有利于结构热工优化方案的提出.

（3）根据车体的具体设计并将选材成本考虑在内，综合使用本文提出的3种优化方案，可将整车传热系数降低10%，实现车体综合节能设计技术的提高.参考文献：

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（编辑武晓英）