轨道车辆铝合金车体有限元快速建模技术研究

董静 高永海 娄斌

摘要：针对轨道车辆铝合金车体结构有限元建模过程复杂、繁琐且容易出错的情况，本文主要研究铝合金车体型材结构有限元建模方式，提出型材中性面截面库的概念，并基于HyperMesh软件，搭建适合铝合金车体有限元建模的型材中性面截面库，以快速创建型材中性面模型；同时，将有限元仿真分析过程中的规范和经验封装成不同功能的仿真分析模板，降低有限元建模难度，提高仿真分析效率，以供参考。

关键词：铝合金车体；有限元建模；型材中性面；仿真分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20231930

随着城市轨道交通日趋发展，高品质、轻量化、高速度的车辆成为主流趋势，铝合金成为城市轨道车辆车体的理想材料。由于车体是轨道车辆重要的承载结构，需要具备足够的强度和刚度。为此，在铝合金车体设计阶段，要配合有限元仿真，分析相关力学性能，以校核其结构强度是否满足标准需求。

一、型材中性面截面库建设思路

铝合金车体中性面建模，一般在三维设计模型完成后开展，关键是创建中性面截面，然后基于中性面截面拉伸成型材，并对型材中面厚度属性设置和修剪编辑。

（一）中性面截面创建

基于底架边梁型材三维设计模型，选择能表征结构特征的型材特征断面，并在型材特征断面所在平面内，创建底架边梁型材中性面截面，如图1所示。

（二）定位参考点确定

由于铝合金车体由不同种类和数量的型材装配而成，为了将中性面模型直接放置在指定位置，采用三点定位法对型材中性面截面进行定位。为便于计算型材中性面截面拉伸成中面模型时的长度，选择中性面截面所在型材特征断面上的任意三个特征点作为定位参考点（三点非共线），底架边梁中性面截面的定位参考点如图2所示。

通过三点定位，可将中性面截面与型材特征断面之间的位置关系和方向进行绑定，后续在型材中性面截面库应用过程中，选择型材三维设计模型任意截面上对应的三个参考点，即可在该截面内型材中性面位置上快速生成型材中性面截面。

（三）截面厚度属性分组

由于型材结构存在多种尺寸，为便于程序自动对中性面模型赋厚度属性，本文将型材中性面截面内的线段按对应型材的厚度属性进行分组，相同厚度线段放在同一个厚度属性组，如图3所示（颜色或数字相同的为同一厚度属性）。同时，对厚度属性分组进行规范化命名，名称是在模型编号（或名称）后加厚度属性信息，厚度属性以字母“T”开头，并加上厚度尺寸，厚度单位为mm。

由于型材厚度存在非整数情况，而HyperMesh软件对小数点“.”容易造成识别错误，导致信息获取异常。为此，本文将厚度尺寸放大了100倍，基于此分类方式，该底架边梁型材可分成5组厚度，如表1所示。

通过对型材中性面截面线段进行分组和规范化命名，后续开发的仿真分析流程模板程序可根据分组名称自动对中性面模型进行厚度属性设置。

二、铝合金车体型材中性面截面库

（一）型材中性面截面库建设

基于HyperMesh软件，采用API函数及tcl/tk语言，通过点—线—面的逐层升维的方式，搭建铝合金车体型材中性面截面库。其软件工作界面可分为五个工作区域，如图4所示。

1.型材库分类和列表工作区

按型材使用部位将型材分为底架、侧墙、车顶、端墙、司机室、吊挂、通用结构等库，型材库中的型材按特定的编号规则进行列表。

2.型材结构和定位参考点预览工作区

选中（1）区中的型材编号，预览型材三维结构和定位参考点。

3.中性面截面创建工作区

按照（2）区中定位参考点示意，在三维设计模型任意截面内，依次选择对应的三个参考点，在该截面内的型材中性面位置上快速生成型材的中性面截面。

4.中性面拉伸工作区

基于（3）区中生成的中性面截面，选择型材拉伸方向（可以双向拉伸）和拉伸长度，快速生成相应的型材中性面模型。

5.补充型材中性面截面

对于型材库中不存的型材中面信息，可通过此功能补充和完善中性面截面信息。

（二）基于中性面截面库的有限元建模流程

本文以某铝合金车体底架边梁型材（型材编号为214－020001）为例，描述基于型材中性面截面库创建中性面模型的过程。

基于三维设计模型的名称、所在部位以及结构形状，从型材中性面截面库中找到相应的型材，查看和确认型材截面，如图4所示。

创建中性面截面，参考图4中的型材特征参考点的位置，从三维设计模型上依次选择对应的三个参考点，软件自动在选定参考点所在的型材截面内创建型材中性面截面，如图1（b）所示；并将中性面截面按厚度属性自动分组，如图5所示。

中性面模型生成及编辑，基于生成的中性面截面，输入型材拉伸长度和选择型材拉伸方向，拉伸形成中性面模型，如图6所示，图中不同颜色表示厚度属性不同。

同时，对于需要编辑的中性面模型，基于HyperMesh的模型编辑功能，修剪和编辑中性面模型。

三、有限元仿真分析流程封装

鉴于铝合金车体有限元分析过程复杂、繁琐且复用性较差的情况，基于HyperMesh软件，借助API函数及tcl/tk语言，将铝合金车体有限元仿真分析过程中的规范和经验进行了固化和封装，并定制成不同功能的有限元仿真分析模板，如图7所示。

通过仿真分析流程模板搭建，将原来手工操作的仿真分析工作自动化或半自动化处理，快速生成带边界条件和工况设置的有限元前处理网格模型文件，降低仿真建模难度，提高仿真分析效率，增加仿真知识的复用性。

四、案例验证

本文以某铝合金车体为例，分别基于原手工操作和基于研究成果工作的两种模式分别进行整个车体结构静强度有限元分析，包括编写仿真分析报告等内容。由于研究成果的工作方式，实际上是基于原手工操作方式的程序化处理，有限元仿真分析结果及报告内容与原手工操作方式的结果一致。

本文重点对比两种建模分析方式的效率，基于研究成果，有限元前处理建模时间由原来手工操作的30天减少为18天，效率提升40%；后处理分析及报告生成由原来手工操作的4天减少为2天，效率提升50%；整个有限元仿真分析过程由原来的34天减少为20天，综合有限元分析效率提升41%。

五、结语

通过对铝合金车体有限元建模过程和建模方式进行研究，基于HyperMesh软件，搭建包括厚度属性信息的型材中性面截面库，快速生成车体型材有限元中性面模型；同时，对铝合金车体结构有限元仿真分析过程中的规范和经验进行固化和封装，定制包括模型获取、特征简化、网格划分，材料属性、焊缝创建、连接创建、边界条件设置、结果查看及报告生成等不同功能的有限元仿真分析模板，将原来手工操作的仿真分析工作自动化或半自动化处理，以此降低仿真建模难度，提高仿真分析效率。

参考文献：

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通讯作者：董静（1987），女，硕士研究生，高级工程师。