ANSYS的二次開發在高速列車車窗改動設計中的應用

黎忠雪，楊　杰，王成雨，彭曉博

(西南交通大學 力學與工程學院，成都　613000)

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ANSYS的二次開發在高速列車車窗改動設計中的應用

黎忠雪，楊杰，王成雨，彭曉博

(西南交通大學 力學與工程學院，成都613000)

摘要：高速列車有限元模型構造復雜，通過手動操作對高速列車有限元模型的車窗進行改動，工作量非常大。基于ANSYS二次開發語言，研發了高速列車有限元模型車窗改動的專用模塊。采用UIDL開發界面，應用APDL語言編寫命令流，實現了通過輸入不同參數值來改動車窗的有限元模型，然后利用ANSYS軟件分析車窗改動對車體振動性能的影響。結果表明：ANSYS二次開發語言可用于車窗的改動，對實際工程中的有限元模型改動具有一定的指導意義，提高了科研和設計的工作效率。

關鍵詞：高速列車車窗；ANSYS; 二次開發；振動性能

鐵路是國家的重要基礎設施,是國家的大動脈,是軌道交通中歷史最悠久、使用最普遍的交通方式之一。鐵路運輸在各種運輸方式中具有明顯優勢，在經濟社會發展中具有重要的地位和作用[1]。隨著我國高速列車技術研究的不斷發展，對高速列車有限元模型的結構設計要求越來越高，高速列車的振動特性直接影響旅客乘坐的舒適性和列車運行的安全性[2]。車窗作為車體結構的重要組成部分，其振動也會間接傳遞給乘客，影響乘客的乘坐舒適性。車體是一個復雜的系統，組成車體有限元模型的單元以及節點有幾十萬個。在工程實際應用中，假如給定高速列車車體的有限元模型，出于工程需要，要求對建立好的車體模型的車窗進行修改，重新建立車體的有限元模型則工作量非常大，既耗費人力又耗費物力，而且國內外有關車窗對車體振動性能影響的研究以及如何建立、修改已有有限元車體模型的一體化程序的研究很少，在一些期刊網站如CNKI、萬方數據等沒有查到關于列車車體窗口對車體振動性能影響的相關文獻。我國的一線生產商唐山軌道客車股份有限公司也提出過相應的問題，至今未得到有效的解決措施。本文把已有的高速列車有限元模型做了進一步擴展，對高速列車的車窗改動進行了嘗試，建立了有關的設計理論和方法，開發了相應的設計程序，對列車有限元模型進行了修改，然后根據有限元軟件對修改后的高速列車模型的振動情況進行分析，初步驗證通過調用相應的程序進行車窗改動研究的思路是可行的。

1主菜單與對話框的編制

1.1車窗改動主菜單的設計

菜單是程序界面的重要組成部分,菜單設計是通過編制UIDL(user interface design language)語言程序來完成的，而ANSYS中主菜單的編制借助控制文件UIMENU.GRN來建立。控制文件由控制文件頭和一系列的結構塊組成，控制文件頭的部分結構如下[3-4]:

:N Menuroot

:S 529，76,446

:T Menu

….

:E END

:!

此主菜單只增加了一部分的菜單名，用戶可以根據自己的需求適當地增加菜單名稱。然后在連續的“:!”和“:N”之間添加所需的結構模塊：

:N Men_selside

:S125,80,38

:T Menu

:A which side

:D analysis change

….

在UIMENU.GRN文件中加入所需的語句后，運行ANSYS軟件，會在ANSYS界面中顯示要添加的菜單，如圖1所示。本例中只列舉generaele菜單，圖中顯示的generaele菜單正是新添加的菜單。

圖1菜單界面

1.2車窗改動對話框的設計

對話框適用于用戶輸入的不同類型數據,對話框設計是通過功能塊完成的。ANSYS的標準對話框和拾取對話框是通過控制文件UI-FUNC1.GRN和UI-FUNC2.GRN 文件來編寫的。選取其中的一個控制文件，修改ANSYS安裝目錄下UI-FUNC1.GRN或UI-FUNC2.GRN文件，在任意的“:!”和“:N”之間添加以下的文字

:N Fnc_selside

:S 389,131,251

:T Cmd

:A selside

:D Please Input the parameter Informations

….

:!

運行ANSYS程序可生成幾何參數對話框，只選其中一個對話框示例，如圖2所示。

圖2幾何參數對話框

2車窗改動命令流的編制

APDL(ANSYS parametric design language)是一種為ANSYS二次開發專門設計開發的解釋性文本語言,因為其有循環、分支、宏等結構,還可以使用參數、數組、標量等,用戶可以利用APDL將ANSYS命令組織起來,編寫出參數化的用戶程序,可以減少用戶的建模時間，可以改動參數來局部修改已建立好的模型。在高速列車的有限元模型中,可以根據已有的有限元模型，編寫車體有限元模型車窗改動的APDL語言程序[5]，再把編好的命令寫入宏文件中。若改動APDL中的特定程序的某些數據參數，窗口尺寸會隨之變化。在控制ANSYS界面的UI-FUNC2.GRN文件中調用宏文件進行運算。在此過程中減少了大量的實際手動操作，縮短了時間歷程。

3高速列車車窗改動二次開發過程及其對車體振動特性影響

3.1車體的有限元模型

車體有限元模型采用殼單元劃分[6]，ANSYS單元類型Shell63，共計劃單元945 755個，節點814 280個，圖3為車體有限元網格。在ANSYS中進行模態分析得到了原始參數下車體菱形、垂彎、扭轉和橫彎變形的固有頻率見表1。

圖3　有限元模型

3.2車體車窗改動的參數化建模及可視化過程

在已有的車體有限元模型的基礎上，選取車體的一個車窗為研究對象，先研究車窗外圍板單元，再研究內部的波紋板。選定一組節點為基本參考標準，復制這組節點到所需的位置，然后通過節點生成單元法來生成新單元。然后把編好的宏文件調入UIDL語言中即可實現可視化過程，部分程序如下：

esel,u,real,,14

nsle,s,0

nsel,r,loc,x,zu(u,1)

nsel,r,loc,y,zu(u,3),zu(u,4)

*set,s,309252

*do,i,1,w/f,1

ngen,2,i*s,all,,,i*f,0,0,1

*enddo

real,8

*do,i,1,waez-1,1

*do,j,1,w/f,1

e,wdez(i)+(j-1)*s,wdez(i+1)+(j-1)*s,wdez(i+1)+j*s,wdez(i)+j*s

*enddo

*enddo

由以上可得：僅通過改動可視化參數對話框中的各種參數就能實現對車窗尺寸改動的車體進行重新建模的功能，其他的車窗采用相同的建模原理，整個車體模型的車窗改動即可完成。在工程應用中，假如對已建好的有限元模型稍作變動，就可利用上述原理進行修改及微調，省去了繁瑣的建模過程，大大縮短了工程人員的時間，提高了工作效率。

3.3車窗改動對車體頻率及振型的影響

針對車窗X方向尺寸減小以及列車車窗的設計標準，設計了8個工況，具體的計算工況見表2。

表2　計算工況

其中：c代表計算工況；w為車窗X方向尺寸的減小值,w=0時是車體有限元模型在原始參數下的工況。

在ANSYS中對以上各個工況的車體有限元模型進行模態分析[7]，分別得到車窗X方向尺寸減小對車體菱形變形，一階垂彎變形，一階扭轉變形和一階橫彎變形的固有頻率的影響[8]，如圖 4 所示。

圖4　各種工況下的頻率

從圖4中可以看出：隨著車窗X方向尺寸的減小，車體菱形變形的固有頻率呈現逐漸增加的趨勢，車體一階垂彎變形的固有頻率和車體一階扭轉變形的固有頻率都呈現逐漸增加的趨勢，車體一階橫彎變形的固有頻率呈現逐漸增加后趨于平穩的趨勢。根據力學原理，隨著車窗X方向尺寸的減小，車體的剛度有所增加，固有頻率隨之增加，理論與數值計算情況吻合。

針對以上設計工況，對車體有限元模型進行諧響應分析，研究車體有限元模型在何種頻率下達到Y向振幅的最大值，不同工況對應的情況如圖5所示。

從圖5可以看出：在以上工況中，車體有限元模型在頻率達到18 Hz的外激勵作用下，車體的Y向振幅最大。此過程對驗證車體能否克服共振以及預防受迫振動有一定的參考價值。

圖5　各種工況下的振幅

4結論

針對高速列車車體有限元模型的復雜性,以某型高速列車有限元模型為例，選定車窗結構為研究對象，對車窗尺寸進行改動。有限元模型改造完成后，進行模態分析以及諧響應分析，得到以下結論：

1) APDL語言和UIDL語言的結合使用，可使車窗改動的參數化建模過程可視化。在參數化分析過程中可以簡單修改其中的參數，達到反復分析各種尺寸的多種設計方案或者序列性產品，極大地提高了分析效率，減少分析成本。

2) 車窗尺寸的改動對車體菱形、垂彎和扭轉變形的固有頻率的影響類似。隨著車窗X方向尺寸的減小，高速列車車體的菱形、垂彎、扭轉變形的固有頻率呈現逐漸增加的趨勢。

3) 隨著車窗X方向尺寸的減小，車窗尺寸的改動對車體橫彎變形的固有頻率的影響程度起初很大，而在其他工況中均增加或逐漸趨于平穩。

4) 在以上幾種設計工況中，車窗改動的車體有限元模型在頻率為18 Hz時，車體Y向振幅最大。

參考文獻：

[1]商躍進.動車組車輛構造與設計[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[2]LAURIKS G.鐵道車輛的舒適度評價[J].國外鐵道車輛,2004(1)：24-25.

[3]張朋,王麗娟.基于UIDL和Tcl/Tk的ANSYS圖形用戶界面二次開發[J].蘭州交通大學學報,2013，32(3)：82-83.

[4]張建業,楊甫勒,錢繼鋒.基于APDL和UIDL的ANSYS二次開發技術及其應用[J].中國制造業信息化,2006，35(23)：80-81.

[5]龔曙光,謝桂蘭,黃云清.ANSYS 參數化編程與命令手冊[M].北京:機械工業出版社,2003.

[6]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京:人民交通出版社，2007.

[7]尤春.高速列車車體地板振動特性的研究[D].沈陽:東北大學,2011.

[8]干宇文，張立民.高速列車承載結構對車體模態頻率的影響[J].設計與應用，2013,11(40)：26-28.

(責任編輯楊文青)

Window Change of High Speed Train Based on Redevelopment of ANSYS

LI Zhong-xue，YANG Jie，WANG Cheng-yu，PENG Xiao-bo

(School of Mechanics and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 613000, China)

Abstract:It is constituted compliantly for the finite element model of the high speed train. If we make a slight change on the window of its model，it will cost a quantity of time to rebuild model of the high speed train. Based on ANSYS’s redevelopment language, the special module on the window change of the high speed train was made. The interfaces were made by using UIDL and the parameter commands were programmed by APDL to change the size of window，which resulted in a slight modify of the high speed train by inputting different parameters. Then that we made use of ANSYS analyses vibration characteristics of the high speed train which was influenced by the window change. The results suggested that the window changed based on ANSYS’s redevelopment language was reliable, which has significance to the finite element model modify in the practical project and makes improvement in efficiency of scientific research as well as the design.

Key words:the window of the high speed train; ANSYS; redevelopment language; vibration characteristic

收稿日期：2015-12-12

基金項目：橫向基金“高速動車組車體模態匹配設計及其對動力學性能的影響”(2013-234)

作者簡介：黎忠雪(1985—)，男，黑龍江人，碩士，主要從事工程力學研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.005

中圖分類號：U260.11

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0026-06

引用格式：黎忠雪，楊杰，王成雨，等.ANSYS的二次開發在高速列車車窗改動設計中的應用[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(6):26-31.

Citation format：LI Zhong-xue，YANG Jie，WANG Cheng-yu，et al.Window Change of High Speed Train Based on Redevelopment of ANSYS[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):26-31.