25型客车车体参数化仿真系统开发与应用

本项目：基金项目为国家重点研发计划课题（2016YFB1200503）；中国铁路总公司科技研发计划（2016J002-D）

本项目是基于PSDM系统搭建完成，PSDM系统是由北京安怀信科技股份有限公司自主研发的三维参数化仿真模型管理系统。

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引言

铁路客车作为一种快捷和重要的交通运输工具，其安全性备受关注。车体钢结构是车体的主要承载部分，也是车辆中安装与连接其它部件的基础，车体结构设计不仅要满足车辆总体布置的要求，为乘客提供良好的乘坐环境，而且要求车体钢结构具有足够的强度和刚度，满足相关技术标准，以确保车辆在任何工作状态下安全可靠。

目前，25型客车为160km/h以下铁路客车的主力成熟车型，25型客车主要包括25G和25T两种车型，同一车型又有硬座、硬卧、软卧、餐车、发电车、行李车等多个车种。由于不同的客户需求，25型客车经常进行适应性改动，涉及到车体结构的改动基本上都需要进行强度分析。   

由于有限元分析具有精度高、成本低和可重复等优点，一直以来在铁路客车车体设计中广泛应用。有限元分析过程分为三个阶段：模型前处理、有限元计算、模型后处理。有限元分析各阶段所用时间的40％～45％用于模型的建立和数据输入（即前处理）。对于铁路客车车体而言，前处理更是占到整个有限元分析工作量的70~80%。因此，如何提高25型客车车体有限元模型前处理效率显得尤为重要。

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铁路客车车体建模方法

25型客车车体为全钢焊接结构，由底架、侧墙、车顶和端墙等四部分构成，如图1所示。在侧墙、端墙、车顶钢骨架外面，在底架钢骨架的上面分别焊有侧墙板、端墙板、车顶板、纵向波纹地板及平地板，形成一个上部带圆弧，下部为矩形的封闭壳体，俗称薄壁筒形车体结构。

图1 25型客车车体结构

Fig.1 Structure of 25 Type Passenger Train Car Body

25型客车车体结构主体为板梁结构，有限元网格通常处理成板壳单元。板壳单元的有限元模型有两种处理方法，一是先建立结构的面模型，然后在面模型基础上进行网格划分；二是根据结构特点直接进行板壳单元的创建。铁路客车车体结构复杂，整车板壳单元数量级一般至少在10万左右。考虑到几何模型便于追溯和修改，行业内常用第一种方法创建客车车体有限元模型。目前，铁路客车车体面模型的建立一般采用以下三种方法。

2.1实体抽中面法

实体抽中面法利用三维CAD软件建立车体实体模型，然后导入到有限元前处理软件中，应用“抽中面”功能，将实体模型转化为面模型。该方法抽中面操作非常繁琐、容易出错，中面修复不合理容易影响模型的网格划分质量。

2.2直接几何建模法

该方法在有限元前处理软件中，通过点、线、面的拉伸、复 制、旋转等功能，直接进行车体面模型的创建工作。直接建模法建模效率低下，模型可修改性差。

2.3编程方法

为提高客车车体几何模型的建模效率，有文献采用APDL语言进行ANSYS求解器参数化建模，针对车体结构编写相应的宏文件进行批处理，以APDL参数化建模处理为主，界面操作为辅。上述建模方式一般只建立半车模型，且并不适用于ABAQUS的求解计算，在25型客车车体设计中很少采用。

应用前两种建模方法完成一个铁路客车车体的几何模型一般需3周左右，进行网格划分和边界条件施加大约1周左右，因此，完成可提交计算的有限元模型大约1个月。而且，基于上述方法创建的几何模型重用性差，几乎不能供以后的车体建模使用。一直以来车体有限元建模成为制约25型客车设计周期的一个技术瓶颈。

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系统开发方案

为满足铁路客运市场发展的需求，25型客车开展了模块化设计。模块化是指模块结构标准化及模块接口标准化。25型客车同一车种的车体结构由不同层级的组件构成，最小结构单元为梁、柱等零件，梁柱型式为标准的型钢或压制型材，不同车种和车型之间相同层级的组件基本为相同或相似结构，且接口型式相同。

3.1 总体思路

根据25型铁路客车车体结构的模块化特点，拟构建模块化和参数化的车体几何模型库，同时开发流程化的车体仿真模板，在模型库和仿真模板基础上集成管理功能开发25型客车车体参数化仿真系统，系统采用三层架构开发，系统架构如图2所示。

应用该系统从模型库中选取合适的模块，通过模块内部几何参数变化和模块间接口参数匹配快速生成不同客户化需求的25型客车产品的车体几何模型，并通过仿真模板进行有限元网格划分，生成ANSYS和ABAQUS两种求解器所需的前处理网格模型。

图2 25型客车车体参数化仿真系统架构

Fig.2 System Architecture of 25 Type Passenger TrainCar Body

Parameterization SimulationSystem

3.2 25型客车车体结构谱系梳理

针对25G型和25T型客车进行车体结构谱系梳理，以25型客车车型和车种为行，以一级模块型式为列构建25型客车车体结构谱系，如表1所示。从表中可以整理出车体一级模块的型式和数量，以此作为确定25型客车车体几何模型库架构的依据。

3.3 25型客车车体几何模型库创建

3.3.1模型库架构搭建

25型客车车体几何模型库分为底架、侧墙、端墙和车顶四个一级子模型库，各子模型库通过装配关系组成车体模型库。按照车体结构谱系化梳理思路可以确定二级模块的型式和数量，以此类推直到确定出最小模块（基础模型）的型式和数量。

3.3.2参数化建模

基于Pro／E创建基础模型，利用Pro／E骨架模型的“发布、复 制几何方式实现设计意图自顶向下传递，创建多层骨架体系结构，进而达到整车设计参数传递以及各部件模型之间的设计关联。

为满足有限元建模的需要，通过模型数列定制功能对基础模型属性信息进行定义，主要包括材料、板厚、连接、重叠和载荷等信息。

3.4 25型客车车体仿真模板开发

仿真模板是一种将仿真分析流程、标准和经验封装在有限元仿真软件或前后处理软件的仿真平台。在轨道车辆行业应用一般是基于HyperWorks和ANSYS针对成熟的部件结构进行开发。

25型客车车体仿真模板基于TCL编程语言对HyperMesh软件进行二次开发，将TB1335-1996和车体前处理流程封装在HyperMesh软件中。

3.5 25型客车车体仿真系统集成开发

25型客车车体结构参数化仿真系统采用中文图形化操作界面，基于C/S系统架构模式，选择. NET作为开发平台。用Microsoft.NET框架开发的产品有限元分析平台不仅安全、可靠、具有高的可扩展性，而且便于网络服务的建立、部署及其不断发展。

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系统简介

4.1 系统功能模块

25型客车车体参数化仿真系统界面如图3所示。系统包括任务管理、项目管理、参数化模型管理、仿真分析模板管理、材料管理、用户管理和权限管理等功能模块。

图3 25型客车车体参数化仿真系统界面

Fig.3 Interface of 25 Type Passenger Train Car Body

Parameterization Simulation System

4.2 参数化模型库

参数化模型库存储着25G型和25T型客车各级模块的几何模型，为便于仿真工程师对车体结构有所参考，模型库程中创建了25G和25T型客车共11个车种的预配置车体模型供调用。   

4.3 仿真模板

在“仿真分析模板管理”中调用仿真模板，可对车体几何模型依次进行几何清理、网格划分、创建材料、创建属性、模型检查、边界和工况定义及求解计算等任务，任务执行过程都可人工参与和手动调整。仿真模板界面如图4所示。

图4 仿真模板界面

Fig.4 Interface of Simulation Template

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系统应用

5.1 项目背景

160km/h动力集中动车组为中国铁路总公司组织研制的新一代铁路客车车型，为验证动车组拖车车体的结构安全性，应用25型客车车体参数化仿真系统和ANSYS软件对其进行了建模计算，同时对车体有限元模型精度进行了对比测试。

5.2 仿真分析过程

5.2.1几何模型建立

通过对160km/h动车组拖车车体进行结构分析，发现该车底架、车顶、端墙均与25G硬座车对应的结构相似，因此可通过25型客车车体模型库中相应模块参数化变形实现，侧墙结构可以通过增加乙型立柱侧墙模块实现。几何模型建立过程具体如下：

（1）新建乙型立柱侧墙模块，命名为T12_CQ并导入模型库；

（2）调用模型库中预配置的25G硬座车车体为原型，并变换侧墙模块为T12_CQ，160km/h动车组拖车车体模块选用如表2；

（3）通过各模块内参数化变化，实现由25G硬座车到160km/h动力集中动车组拖车车体的变化；

（4）将配置好的160km/h动力集中动车组拖车车体组件重新命名，导入模型库。

5.2.2有限元模型建立

通过系统调用仿真模板建立了160km/h动力集中动车组拖车车体有限元模型，如图5所示。为保证计算精度，有限元模型以四边形薄壳单元为主，三角形薄壳单元为辅。车体有限元模型单元总数543821，节点总数532836。

 图5 拖车车体有限元模型

Fig.5 FEM Model of Trail Car Body

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结束语

160km/h动力集中动车组拖车案例应用表明：

（1）基于25型客车车体几何模型库，通过适应性改动可生成对应改型产品的车体几何模型，提高了车体模型的重用性。

（2）应用25型客车车体参数化仿真系统，使车体有限元建模周期缩短为1周左右，极大提高了有限元模型前处理效率。

（3）经过对比测试，基于25型客车车体参数化仿真系统建立的车体有限元模型，其仿真计算结果与直接建模的仿真计算结果一致，满足精度要求。

25型客车车体参数化仿真系统基于25型客车开发，也为其它车型开发类似系统提供了依据和参考。

#The End #

作者：白彦超1 伊召锋1 刘东亮1 杨军永2

            （1 中车唐山机车车辆有限公司 技术研究中心，河北 唐山 063035；2 北京安怀信科技股份有限公司 产品研发部，北京，100024）

本论文刊登于2018年2月第2期的《机械设计与制造》第246页

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来源：安怀信正向设计研发港