流固耦合技術及在高速動車組結構設計中的應用

王悅東，蔡喜艷，兆文忠

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

隨著列車速度的不斷提高，列車與空氣的相互作用變得十分強烈［1-3］.在列車空氣動力學問題中，列車通過隧道時產生的空氣動力學效應極為突出.

高速動車組結構設計越來越重視空氣動力效應對車體結構的影響.而利用Ansys對研究對象進行分析計算時，無法從流體計算軟件SC/Tetra中直接獲取動車組在流場中受到的壓力.此類問題屬于流固耦合的范疇，也是目前流、固體力學研究領域比較前沿的課題［4］.

本文通過研究流體軟件SC/Tetra的FLDutil模塊，實現了氣動載荷由流體軟件SC/Tetra到分析軟件Ansys的單向流固耦合.為后續的高速動車組結構設計工作打下了基礎.

本文首先介紹了氣動載荷的計算過程，包括數值計算的模型、網格以及邊界條件，并對計算得到的數值計算結果與試驗結果進行了對比.重點介紹了流固耦合的關鍵技術，最后以某高速動車組設備艙焊縫疲勞分析為例，驗證了流固耦合技術在車體結構設計中的可行性.

1 數值計算過程與試驗結果的對比

1.1 數值計算模型

數值計算采用的幾何模型為三輛車編組，且對實際的高速列車幾何模型進行了簡化，如去掉了車燈、受電弓、門把手等列車表面的凸出物.整個車體的簡化盡可能保留和體現了真實高速列車的外形和輪廓.頭車和尾車的長度為26.25 m，中間車長24 m，三輛車總長為76.5 m.簡化后的列車幾何模型如圖1所示.

圖1 數值計算列車幾何模型

隧道模型采用的是單洞雙線模式，全長300m，隧道截面面積100 m2，線間距為5 m.計算區域如圖2所示.

圖2 高速列車過隧道計算區域

1.2 網格的生成及邊界條件

數值計算模型分為動網格區域和靜網格區域.動網格區域為包裹高速動車組的矩形區域.矩形區域采用幾何適應性強的非結構化四面體網格，網格尺寸較小，在列車表面和地面插入了邊界層網格.動網格外部區域為靜網格區域，由于靜網格區域較大，如果采用非結構化四面體網格進行劃分該區域，將產生大量的網格從而增加計算難度，所以對于靜網格區域，劃分網格采用多塊網格劃分方法.高速列車計算區域網格劃分如圖3所示.

圖3 高速列車計算區域網格劃分

邊界條件設置如圖2所示，截面A和截面B分別設為壓力入口和壓力出口邊界條件;靜區域和動區域交界面設置為交互邊界條件;列車所在區域設置為:X方向給定列車運行速度，Y和Z方向速度分量為0;地面，列車和隧道壁面為無滑移壁面邊界條件;其余各截面設為自然流入流出邊界條件［5］.邊界條件設置如附表.

附表 邊界條件

1.3 方程求解及計算過程

由于數值計算網格為1 500萬，計算規模過大，所以采用并行計算，并行計算可以用多臺計算機一起處理一個復雜問題，從而縮短計算時間.

數值計算采用流體計算軟件SC/Tetra，它能夠求解歐拉方程，提供多種湍流計算模型［5］.在處理計算區域中的動區域和靜區域邊界作用時應用了不連續網格方法.分別求解兩個單元區域，區域間的數據交換通過交界面來完成.

計算過程如下:

(1)應用SC/Tetra前處理模塊SCTpre對幾何模型進行修復，簡化，并對計算模型進行網格劃分.檢查網格質量，保存網格文件(擴展名為.pre).

(2)采用瞬態計算，時間步長設為0.001s，保存運行文件(擴展名為.s).

(3)將擴展名為.pre的網格文件和擴展名為.s的運行文件放到SC/Tetra的求解模塊進行求解計算.

1.4 數值計算結果與試驗結果對比

為了驗證數值計算結果的可靠性，需要把數值計算結果與實車試驗結果進行對比.對比選取數值計算模型的中間車和試驗高速動車組的7車上位置相對應的兩點，兩點都在車體中部的設備艙上.高速動車組設備艙空氣壓力試驗由西南交通大學牽引動力國家重點實驗完成［6］.

對比結果如下:圖4是實車7車(中間車)中部設備艙測點壓力波形圖，圖5是數值計算模型中間車中部設備艙測點壓力波形圖.

由以上波形圖對比可以看出，計算結果和實測數值之間存在著偏差.這是由于計算模型對列車、隧道和地面進行了簡化;數值計算采用的列車和隧道長度與實測的編組數及實際隧道長度不相等;車輛編組數量不同等原因引起的.但是從計算結果和試驗數據的變化趨勢來看，二者還是比較統一的，這也驗證了流場模型計算的正確性.總體來看，本文采用的氣動載荷是可以接受的.

圖4 實測7車中部底板外壓力波形圖

圖5 計算模型2車中部設備艙測點壓力波形圖

2 流固耦合關鍵技術

在驗證了流體軟件SC/Tetra對高速動車組隧道流場數值模擬的正確性的基礎上，作者對流固耦合的具體實現進行了多次嘗試.現把具體耦合步驟總結如下:

(1)把在HyperMesh中建立好的有限元模型進行拆分:本文研究的是高速列車通過隧道時所受的表面壓力的變化.所以把整體有限元模型拆分解為兩部分，第一部分為需要加載的表面部分，第二部分為剩余模型.拆分的目的是為了更好地確保耦合的準確性.

(2)模型的匹配:把拆分后的表面網格與進行流體力學計算的模型進行匹配.以保證需要耦合的有限元模型處在正確的位置上.把匹配好的表面網格導出為.cdb格式.

(3)表面壓力的映射:把匹配好的表面網格導入流體力學分析軟件SC/Tetra并檢查兩者的位置是否完全匹配，確定后就可以把壓力映射到表面網格上.此過程需要注意單位的一致性，以保證相應計算的方便.

(4)網格的重新組合:把映射后的壓力與通過流體力學計算的模型進行數值的對比，確定無誤后就可以把加載好的表面網格導入第二部分模型進行重新組合.組合后檢查節點的融合及相應屬性的設置.

在流固耦合的分析計算中，流體計算關注的是與固體結構表面接觸的周圍流動區域，固體計算關心的是作用在固體表面的載荷和載荷對結構內部的影響.軟件SC/Tetra的FLDUTIL模塊能夠在計算中利用插值的方法對流、固交界面上的參數進行轉換，實現壓力載荷映射.另外在載荷映射過程中一定要保證流體計算模型和固體計算模型的統一，使得流體模型完全覆蓋固體模型，這樣才能保證載荷映射的準確性，避免出現無限大載荷.

3 流固耦合的一個應用案例

本文以某高速動車組車下設備艙為例實現氣動載荷到疲勞載荷的映射，并進行焊縫的疲勞計算，技術路線如圖6所示.

圖6 技術路線圖

3.1 疲勞載荷譜的確定

在設備艙有限元模型上，選取4個不同位置的單元，單元號分別為:71137、38337、100784、100134.由于設備艙無設備單元縱向尺寸比較小，只有0.5 m，且列車運行速度較快.選取的四個單元壓力波形曲線趨勢相同，負壓最大值均出現在時間2.32s時刻，其中序號為71137的單元的氣動載荷波形圖如圖7所示.

圖7 單元71137壓力波形圖

由壓力波形圖知:峰值處共對應10個時間點，分別為:0.32、0.48、0.56、1.04、1.44、2.32、3.2、3.52、3.68、4 s.考慮到某些峰值處的載荷很小，本次計算采取簡化方法，把波形圖簡化成2個完整的波形.峰值處的氣動載荷分別為－3 530 Pa和 －1 510 Pa，對應的時間點為2.32 s和3.52 s.

根據本文所述的耦合步驟，把SC/Tetra中計算得到的數值結果映射到設備艙有限元模型上.時間點為2.32 s的氣動載荷在設備艙有限元模型上的映射如圖8所示.

圖8 映射得到的氣動載荷

3.2 疲勞壽命計算

基于名義應力法的焊接結構疲勞分析的標準中，如英國的BS7608，除了工程應用中焊接接頭分類難以把握外，當用有限元法計算應力時，又難以可靠的獲得焊縫上的應力集中，而焊縫上的應力集中對疲勞壽命的預測極其重要［7］.

2007年頒布的美國ASME(2007)標準中關于焊接結構焊縫的疲勞壽命評估中的結構應力法，是美國新奧爾良大學Pingsha Dong博士發明的一種可以相對準確計算焊縫疲勞壽命的最新方法.該方法采用網格不敏感結構應力MSS計算方法(Mesh－insensitive Structural Stress Method)及一條主S-N曲線(Master S-N)預測焊接結構焊縫上的疲勞壽命，很好地解決了名義應力法所有遇到的上述困難［8］.

基于美國ASME(2007)標準，與焊接接頭具體類型無關的預測焊接結構焊縫疲勞壽命的壽命計算公式為:

式中，等效結構應力的計算公式為:

式中，σs為結構應力，反映了應力集中的影響;t反映了板厚度的影響，I(r)反映了載荷模式的影響;m=3.6，式(1)中Cd及h為主S-N曲線試驗常數，由ASME標準提供，N為循環次數［9-10］.

本文采用Miner累積損傷理論，即:

式中，ni為載荷譜中應力范圍為Δσi的循環次數;Ni為在該應力范圍時將導致損壞的循環總數.

本次疲勞壽命計算的工況為:X方向0.4 g的加速度，Y方向和Z分別為0.3 g的加速度，氣動載荷為軟件SC/Tetra的數值計算結果.

由于設備艙無設備單元是完全對稱結構，選取單側焊接結構的焊縫進行疲勞壽命計算.焊縫位置如圖9所示.

圖9 焊縫位置示意圖

本次疲勞計算共考察21條焊縫，包括裙板、拉桿支座、拉桿、連接桿及T型槽上的焊接結構.計算結果表明:氣動載荷對焊接結構的影響是不可忽視的.

4 結論

(1)通過對流體軟件SC/Tetra的模擬計算結果與試驗結果的對比分析可知:流體軟件SC/Tetra對某高速動車組單車通過隧道的氣動載荷模擬是比較準確的.氣動載荷變化趨勢相同，驗證了流場模型計算的正確性.本文采用的氣動載荷進行疲勞損傷計算是可以接受的;

(2)本文解決了一個實現流固耦合的最大難題［4］，就是如何把分布不均勻瞬態壓強值導進Ansys模塊進行分析計算，使疲勞載荷更加接近真實情況.以某高速動車組設備艙為例，驗證了氣動載荷由SC/Tetra到Ansys的流固耦合的可行性，為高速動車組結構設計提供了更加接近實際情況的氣動載荷.

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