复合材料磁悬浮列车车体结构数值模拟（II）

王人鹏 周勇 程玉民

摘要：以参数化磁悬浮列车车体有限元模型为基础，在各种载荷和边界条件下开展数值模拟试验，研究各种运营环境中车体结构的静力学和动力学性能。在Siemens NX中完成车体在各种典型载荷工况下的结构静力学和动力学性能模拟试验，包括车体结构载荷变形、车体主要连接部件结构力学性能、车体频率及振型、车体结构线性屈曲性能，以及车体动力响应性能等。数值模拟结果认为给定的复合材料磁悬浮列车车体设计可行，同时验证参数化车体有限元模型的有效性。

关键词：磁悬浮列车; 数值模拟试验; 力学性能; 模态; 屈曲

中图分类号：U266.4; TB115.1

文献标志码：B

Numerical simulation on composite vehicle structure of

maglev train （II）：

Numerical simulation test for 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 finite element model of maglev train body， the numerical simulation tests under various loads and boundary conditions are promoted， and the static and dynamic performance of vehicle body structure in various operation environments is researched. The static and dynamic performance simulation tests of vehicle body under various typical load conditions are carried out using Siemens NX， that consists of the load deformation of vehicle body structure， the mechanical properties of connecting structure of main parts of vehicle body， the frequency and mode of vehicle body， the linear buckling performance of vehicle body structure， and the dynamic response performance of vehicle body. The results of numerical simulation show that the preliminary design of composite maglev train body is feasible. The validity of parameterized finite element model of car body is verified.

Key words：

maglev train; numerical simulation test; dynamic performance; modal; flexion

收稿日期：2018-11-24

修回日期：2019-04-16

基金项目：国家重点研发计划（2106YFB1200601-B16）

作者简介：

王人鹏（1964—），男，山西芮城人，副教授，博士，研究方向为数值模拟方法及其在结构分析中的应用，

（E-mail）renpengwang@126.com

0 引 言

复合材料数值分析理论的发展已经相当成熟，借助现代CAE数值分析技术，可以更好地完成复杂的设计任务。[1- 4]在参数化车体有限元模型[5]的基础上，根据车体在各种典型运营条件下的载荷工况和可能的边界条件，使用Siemens NX进行参数化分析。[6]参数化有限元模型包含的所有车体结构部件的曲面有限元模型，都是针对真实物理模型较为精确的数学模型。车厢底盘铝合金结构、车窗车门等结构部件使用铝合金，取各向同性材料属性作为材料模型;复合材料车体外壳、横向和纵向复合材料梁系均使用高性能复合材料模型;各个结构部件的连接使用NX gluing技術，可靠描述结构部件连接的力学属性。真实物理模型的制造加工过程按照NX gluing的要求实现。各复合材料结构部件的形状生成使用已有的复合材料加工工艺，如Prepregs及其相关的部件整体复合材料制造技术。使用大型设备实现复合材料车体外壳、车身复合材料梁系和车头复合材料梁系的可靠连接[3]，使用NX gluing技术可以可靠地模拟结构部件的连接。对于横向复合材料梁系与车厢底盘的连接，设计π连接方式实现复合材料与铝合金材料的可靠连接，同样使用NX gluing技术模拟。参数化有限元模型与载荷和边界条件的参数化，可使得车体数值试验有效进行，实现真正意义上的数值模拟试验，并在此基础上完成车体静力学和动力学数值试验。

1 载荷和边界条件的参数化

根据磁悬浮列车走行机构对车厢底盘的各种可能约束性质，设置车体结构数值模拟的边界条件。磁悬浮列车走行机构与车厢底盘的连接方式多样，因此建立几种可能的车厢底盘参数化几何模型。为节省篇幅，此处只列出1种作为代表，设置相关边界条件。

车厢底盘可能有多种约束边界条件，这些边界条件与参数化车体模型共同构成磁悬浮列车参数化数字模型。在参数化车厢底盘几何模型的基础上，选择多种几何曲面，生成几何曲面组，以便设置多种可能的边界条件。其与参数化车体几何模型和参数化车体有限元模型可以组合成多种车体数值模型，实现边界条件的参数化。[6]运营环境中常见的车厢底盘约束模拟见图1。

参数化车厢底盘几何模型，可以通过车厢底盘 的几 何形状和约束面积等，驱动相关边界条件的参数化。利用建立的参数化车体几何模型，可以模拟磁悬浮列车运营环境下所有可能的载荷条件，其与参数化车体几何模型、参数化车体有限元模型，以及多种边界条件可以组合形成多种车体数值模型，还可以通过载荷组合实现载荷模拟的参数化。典型风载荷作用下磁悬浮列车参数设置见图2。

在参数化车体几何模型的基础上，可以生成风载荷作用曲面组，实现相关几何参数对风载荷作用曲面的参数化。载荷变量的大小和方向由载荷作用方式和载荷数值表达式变量（如压力等）实现参数化。

非结构部分（如附加设备、内饰材料等）对车体结构性能的影响，由non-structural mass在参数化车体几何模型的基础上实现模拟。非结构部分质量和乘客质量设置见图3。

利用参数化车体几何模型，还可以参数化设置乘客、附件设备、装饰等非结构因素所在位置和分布面积，以及列车载荷（包括风载荷、转弯加速度、纵向冲击载荷和设备载荷）等，具体的载荷数值依据相关规定[7]灵活设定。边界条件、载荷条件的参数化与车体几何模型和有限元模型的参数化，共同构成车体的数值模型，可实现车体结构的数值模拟试验。

2 力学性能的数值模拟试验

参数变量存在于车体结构几何模型、物理材料模型、铺层模型、网格划分、边界条件和载荷条件等各个层次上，他们之间存在多种参数变量的线性组合，每个组合对应某个真实车体力学性能的数值模型，因而可以获得大量车体力学性能的数值试验结果。数值模拟试验得到的车体整体结构性能比局部性能数值结果更有意义;系列数值模拟试验对比结果比单独数值试验结果更有意义。

本文建立的车体有限元模型自由度数约为150万个左右，车体模型总自由度规模在1 000万以上。由于复合材料大量使用四节点壳单元模拟，所以使用数值模拟结果精度可信的Nastran求解。在参数化车体数值模型的基础上，完成数值模拟试验。考虑磁悬浮列车各种极端运营环境，如风载荷、转弯加速载荷和乘客质量等因素。对载荷进行放大处理，最大程度地保证磁悬浮列车车体结构性能满足运营要求。在各种载荷工况下，车体最大变形应不大于5～6 mm，应力和应变应远小于复合材料的应力和应变极限。[1，5]根据已有磁悬浮列车设计经验，车体变形初步计算满足车体设计要求。由于数值模拟试验结果规模巨大，为节省篇幅，只给出代表性的数值模型试验结果。不同载荷下车体结构变形见图4，车体各主要复合材料结构部件变形见图5。

为节省篇幅，给出某载荷工况下车身壳体复合材料铺层应力分布。铺层1和铺层9的方向1～3应力分布，见图6。

车体线性屈曲性能数值试验可研究车体的屈曲行为，复合材料车体的前30阶屈曲因子见表1，其前3阶屈曲模态变形见图7。

由数值试验可知，车体的线性屈曲行为只发生在局部范围内，表明复合材料车体结构有良好的抗线性屈曲性能。

车体频率是动力分析的基础，由前30阶模态频率分布可知，车体设计满足基本频率要求。前30阶模态频率见表2，前3阶振型见图8。

由数值试验可知，车体的最小模态频率为10.813 9Hz，对应的振型为车体整体侧向弯曲。前19阶频率均在10～30 Hz之内，根据已有的磁悬浮车体设计经验，表明车体振动性能满足车体振动频率要求。

3 车体连接性能的数值模拟试验

车体各主要部件连接结构作用力分布见图9。

由此可知，在载荷作用下复合材料车体结构连接力最大约为2 kN，在可实现范围内。已有的研究表明，可以使用粘接或螺栓连接的方式实现结构部件的连接。[1，2]连接结构粘接力分布是连接方式和连接材料选择的依据。螺栓连接、粘接连接或螺栓加粘接连接设计和优化必须在结构部件之间粘接力分布基础上实现。

4 结束语

在参数化车体有限元模型基础上，进行结构性能数值模拟，可以从总体上预测各种载荷情况下车体结构的静力和动力性能，通过结构变形与应力分布、连接受力与变形分布、频率与振型分布、屈曲因子及其分布，可以在总体上掌握车体结构的属性。通过调整车体相关的几何参数和使用的结构材料，可以实现有效的车体结构性能预测，最终完成车体设计目标。

通过上述方法实现车体数值模拟试验，可以高效、快捷、准确地完成车体结构性能预测，是实现车体数字化设计和制造的必经之路。

参考文献：

[1]

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

[2]DANIEL G.Composite materials： Design and applications[M]. 3rd ed. Florida： CRC Press， 2014.

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

[4]MATTHEWS F L，DAVIES G A O， HITCHINGS D， et al. Finite element modelling of composite materials and structures[M]. Sawston： Woodhead Publishing， 2000.

[5]王人鹏， 周勇， 程玉民. 复合材料磁浮车体结构数值模拟（I）： 适应车体设计的参数化有限元模型[J]. 计算机辅助工程， 2019， 28（3）： 54-60.

[6]Siemens PLMSoftware users manual[Z]. Torrance， 2018. https：//www.plm.automation.siemens.com/global/zh-cn/index.html.

[7]嚴隽耆. 车辆工程[M]. 2版. 北京： 中国铁道出版社， 2006： 10-200.