基于Abaqus的高速列車車體傳熱系數仿真優化計算

崔海英　李鑫

摘要： 以靜止狀態下某高速列車車體為研究對象，將其復雜的內外熱交換系統簡化為車體壁和冷橋兩部分，運用Abaqus仿真計算得到整車傳熱系數；與相似設計的動車組車體實驗結果對比可知仿真結果合理可靠.編寫Python腳本實現在Abaqus后處理中顯示車體壁傳熱系數K值云圖的功能，以便于指導車體結構的優化設計；根據車體的原始設計并將選材成本考慮在內，提出的三種車體結構優化方案，使得整車傳熱系數降低10%.

關鍵詞： 高速列車； 車體； 車體壁； 冷橋； 傳熱系數； 結構優化； Abaqus； Python

中圖分類號： U270.383文獻標志碼： B

Abstract： A high-speed train body in a stationary state is taken as the research object， of which the complex internal and external heat exchange system is simplified as two parts： vehicle wall and cold bridge. The heat transfer coefficient of the vehicle is calculated by Abaqus simulation. By comparing with the experimental result of an Electric Multiple Unit train body with similar design， the simulation result is reasonable and reliable. The function that displays heat transfer coefficient contour of vehicle wall in post-processing of Abaqus is implemented by Python script. This method can be used for guiding optimization design of vehicle body structure. According to the original design of the vehicle body and taking the material cost into account， three optimization schemes about body structure are proposed， which can reduce vehicles heat transfer coefficient by 10 %.

Key words： high-speed train； vehicle body； vehicle wall； cold bridge； heat transfer coefficient； structure optimization； Abaqus； Python

0引言

高速列車不僅要保證安全高速地運行，還要為旅客和車上工作人員盡可能創造舒適的環境.為保持車室內溫度恒定，除使用空調設備外，車體還必須具有良好的隔熱性能，車體傳熱系數K便是衡量其隔熱性能的重要參數.[1-2]采用計算機仿真技術不僅可以計算K值，還可以根據仿真結果指導車體結構優化.[3]現有的計算方法通常將車體三維傳熱問題簡化為一維問題，誤差較大，并且難以反映各種部件裝配間隙對傳熱的影響.[4-5]另外，通用仿真軟件不具備直觀顯示K值分布的功能，不利于提出結構熱工優化方案.[6]

本文以靜止狀態下某高速列車車體為研究對象，通過Abaqus仿真計算其傳熱系數K，并與相似設計的動車組車體實驗結果對比，通過二次開發實現在Abaqus后處理中顯示車體壁K值云圖的功能，最終提出降低整車K值的車體結構優化方案.

1計算方法

高速列車車體的內外熱交換系統較為復雜，車頂部分的傳熱路徑為：車體外側涂料—中空鋁型材—阻尼漿—隔熱層—內飾件，車體內外壁之間還有各種冷橋結構交錯組合.本文將此復雜的傳熱系統簡化為車體壁和冷橋2部分，基于穩態傳熱原理，在不考慮輻射傳熱的前提下運用Abaqus仿真軟件分別計算得到各部分的傳熱量，再通過式（1）計算整車傳熱系數K[7].K=ΦA（t高-t低）（1）式中：Φ為傳熱量，W；A為傳熱面積，m2；t高和t低分別為車體內、外側溫度，K.

2計算條件

設置車室內外的溫度和車體內外的表面傳熱系數作為邊界條件.根據《鐵道客車采暖通風設計參數》[8]，靜止狀態下車體的邊界條件為：車室外計算溫度為280.5 K；車室內計算溫度為305.5 K；車體外表面傳熱系數為16 W/（m2·K）；車體內表面傳熱系數為8 W/（m2·K）.車體結構使用材料的熱導率見表1.另外，車體的風道結構中存在空氣層，可查《實用供熱空調設計手冊》[9]得到熱流水平及熱流向下情況下不同厚度流動空氣層的熱導率，見表2.

3傳熱系數計算

3.1車體壁

車體壁是由各種均質材料層層疊加組合而成的.根據車體結構，將車體壁劃分為4個區域：觀光室、一位端通過臺、客室和二位端，見圖1.各區域又由若干子區域構成.仿真計算時先分析各子區域的傳熱路徑，然后按照由車體外側至車體內側的鋪層方向在Abaqus中建立各子區域的鋪層簡化模型，最后計算得到車體壁傳熱系數Kb.

4.2車窗和車門

計算車體壁面傳熱系數時，車窗和車門傳熱系數已知，分別為2.620和4.400 W/（m2·K）.根據市場調研，選用隔熱性能更好的車窗和車門，可使其傳熱系數分別降低至1.900和4.000 W/（m2·K），則優化后整車Kz為1.184 W/（m2·K），比原始設計降低3.4%.

4.3二位端門

在原始設計時，該車二位端門的鋪層結構為端門鋁型材+空氣層130 mm+三維鋁蜂窩20 mm.可考慮在端門鋁型材表面適當鋪設隔熱材料.若將鋪層結構優化為端門鋁型材+阻尼漿5 mm+碳纖維MCIII 30 mm+空氣層95 mm+三維鋁蜂窩20 mm，則優化后整車Kz為1.184 W/（m2·K），比原始設計降低3.4%.

5結論

（1）將高速列車車體復雜的內外熱交換系統簡化為車體壁和冷橋2部分，運用Abaqus仿真計算得到整車傳熱系數Kz為1.226 W/（m2·K），并與相似設計的動車組車體實驗結果對比，誤差為-9.2 %.考慮到本文忽略輻射傳熱且車體冷橋部位傳熱路徑較為復雜，因此認為計算結果合理可靠.

（2）通過編寫Python腳本實現在Abaqus后處理中顯示車體壁傳熱系數Kb值云圖的功能，有利于結構熱工優化方案的提出.

（3）根據車體的具體設計并將選材成本考慮在內，綜合使用本文提出的3種優化方案，可將整車傳熱系數降低10%，實現車體綜合節能設計技術的提高.參考文獻：

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（編輯武曉英）