鋁合金擠壓型材車體斷面型腔快速設計方法*

何春天 陽光武 鄒曉宇

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，610031，成都; 2.中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，100089，北京//第一作者，碩士研究生)

0 引言

CRH系列高速列車車體結構大多采用大型中空鋁型材。該結構具有質量輕、密封性能好、工藝相對簡單等優點。在對鋁型材車體結構設計過程中，車體結構斷面的快速設計對于提高車體整體性能尤為重要。

現有的高速列車車體結構斷面型腔是基于已有車型，對車體斷面形狀進行優化設計。該方法效率較低，不利于大批量快速實現車體斷面的有限元建模分析。文獻[1]利用CAA二次開發技術建立了型材特征庫并實現了車體斷面的快速裝配；文獻[2]在Hypermesh軟件中結合TCL/TK語言開發工具，建立了結構分析的前處理管理應用；文獻[3]提出了利用TCL語言和客車CAE分析流程編寫節本程序執行重復繁瑣的工作，極大地提高了車輛整體分析效率；文獻[4]在高速列車車體側頂圓弧結構優化的過程中提出了車頂結構型腔的大小和疏密對于車體結構的影響；文獻[5]提出了車體的一階垂彎振動對車體的彈性振動貢獻最大,并可通過對車體的結構參數的調整實現減少有害模態的控制；文獻[6]認為車體結構參數的優化可以有效地達到減小車輛振動和減少減振成本的目的。

TCL語言簡單易學，兼容性好，可操作性強并且功能豐富，可根據客戶的需求短時間內開發出大量的可操作性程序，使得開發人員無需手動操作即可實現模型的快速網格劃分、單元清理和模型的輕量化設計。相對于傳統的建模方法有著不可替代的作用。

基于CJJ96—2003《地鐵限界標準》，提出了一種鋁合金擠壓型材車體斷面型腔快速設計方法，并用TCL/TK語言對有限元前處理軟件Hypermesh進行二次開發，建立了車體結構斷面型腔快速建模程序，能夠有效提高車體斷面型腔的設計效率，減少系列車型的開發時間和工作量。

1 車體外形輪廓的快速求解

1.1 基于《地鐵限界標準》的車體外形輪廓求解流程

《地鐵限界標準》中描述了車體輪廓線和車輛限界的關系。首先在給定車輛限界上選取構成車輛限界輪廓的關鍵點，包括車體橫向最大位置點、車體豎向向上最大位置點、車體豎向向下最大位置點以及車體曲線過渡位置關鍵點等;由這些點擬合出車輛限界的形狀，然后利用《地鐵限界標準》中的偏移量計算公式計算車體在運行過程中產生的向上、向下和橫向的最大偏移量；用車輛限界上關鍵點坐標值減去相應偏移量可得到車體外輪廓線上關鍵位置點的坐標值，進而求出車體最大外輪廓線[7]。

車體外輪廓線關鍵點與內輪廓線的關鍵點為間距一定的法向投影[8]。如圖1所示，將外輪廓線關鍵點A向BD線上投影得到B點，B即為內輪廓線的關鍵點，由這樣的方法對整個外輪廓向內法向投影，即可以求得車體的內輪廓線。圖2為整個內外輪廓線的求解流程。

圖1 內外輪廓線的投影關系圖

1.2 車體外輪廓線的求解

由《地鐵限界標準》中的偏移量計算公式可以求出車體、轉向架、輪緣、踏面、受電弓和受流器在不同運行區間的橫向偏移量和豎向偏移量，通過線性疊加的方式得到最大的車輛外輪廓線的可設計區域。

現以車輛限界上車頂位置某關鍵點(x，y)為例進行簡單說明。當車體橫向平移和車體傾角產生的橫向偏移方向相反時，該點對應的車體外輪廓線上關鍵點坐標值為(X，Y)[7]：

X=x-ΔXBP

Y=y-ΔYBPd

(1)

式中：

ΔXBP——車體的橫向偏移；

ΔYBPd——車體的豎向偏移；

X——車輛外輪廓線某關鍵點的橫坐標；

Y——車輛外輪廓線某關鍵點的縱坐標。

由《地鐵限界標準》中提出的公式和疊加的方法，采用逆向設計的方法并結合給定的相關車輛限界，可以得到所需要的車體最大可設計外輪廓線。

1.3 車體內輪廓線的求解

車頂、側墻以及底架部位內外輪廓線間距離為定值[8]，在內輪廓線的計算過程中，通過對該值進行如圖1所示的投影，計算得到內外輪廓線在相應的X方向和Y方向上的偏移量和內輪廓線的坐標。由此得到的車體的內外輪廓線。

1.4 車體筋板布置

鋁合金車體承載結構由大截面擠壓型材焊接而成。車頂一般由3～4塊鋁合金型材插接或者搭接而成，如圖3和圖4所示。以每一段型材的筋板中性層的一個點作為型材的斜筋板布置的起點進行筋板的布置,并在距離型材另一端小于一個三角形型腔寬度的地方結束筋板布置。

圖3 車頂筋板布置局部圖

圖4 車頂型材筋板布置圖

圖5和圖6分別為車肩部分筋板布置的放大圖和車肩整體圖，斜筋的厚度通過斜筋中線的平移表示，并和相鄰斜筋或外蒙皮相交得到用于表示兩相鄰筋板厚度的3個點(圖5的1、2、3點)。圖7為側墻部分筋板布置局部圖。

圖5 車肩筋板布置局部圖

2 Hypermesh軟件運行腳本的二次開發

針對車體模型，通過Matlab軟件進行了程序化編譯，得出了車體的輪廓布置、筋板布置等的關鍵點數據，并以TCL語言編譯的格式輸出到指定位置的TCL腳本中。對這些關鍵點輸出的腳本進行讀取就可以在Hypermesh軟件中自動快速地建立車體有限元模型，并且提取出相應的計算參數。

圖6 車肩筋板整體布置圖

圖7 側墻筋板布置局部圖

以車身外輪廓線為例，進行車體橫截面的外輪廓線TCL腳本輸出，由于Hypermesh軟件中模型的建立是基于單元節點信息進行建模和分析，圖8所示流程表示通過用所建立的節點畫出限界或輪廓線，語句“*createlist node”是建立點坐標，語句“*linecreatefromnodes”是通過輸入的車身外輪廓節點創建所需要的車身外輪廓線。

圖8 點線轉化流程圖

由于鋁合金型材內腔所在位置不同，構成其輪廓邊界的數量和節點數量也不同，在程序編譯的過程中根據實際情況把型腔分為三種類型：三角形型腔，四邊形型腔和搭接插接型腔[9-10]。

圖9 a)和圖9 b)所示的三角形型腔和四邊形型腔是主要的承力結構。三角形型腔的關鍵點為三角形的頂點和三角形下底的兩點，當型腔下底的兩點之間正好有外輪廓線的另一個關鍵點時，應該加入此點以形成一個四邊形型腔來準確模擬型腔的結構，如圖9 b)中的點2所示。可根據圖10所示流程針對型腔進行分類和確定。

a) 三角形型腔

b) 四邊形型腔

圖10 型腔判斷分類流程圖

圖11所示為擠壓鋁型材之間的連接部分。一般采用插接和搭接的連接形式，構成其型腔的主要點為上下兩塊型材橫筋板和豎筋板的節點。所以，針對類似的型腔提取圖11中所示的6個關鍵點來模擬其結構。

圖11 插接處節點分布圖

通過對車體型材結構的分類，提取其內外輪廓線和內部型腔并繪圖完成其幾何設計，如圖12。

圖13為通過編譯的TCL程序自動得到的車體筋板離散結果。TCL命令得到整體的離散模型如圖14所示。

圖12 車體的幾何成型

圖13 單元離散圖

圖14 車身整體的有限元模型圖

3 車體截面設計質量驗證

一階垂彎頻率對車輛的運行安全性和乘坐舒適性至關重要。在軌道車輛的設計中要求車體的一階垂彎頻率必須與轉向架的振動頻率處在不同的區段,來保證轉向架和車體之間不產生一階垂向共振現象[5]。

由歐拉-伯努利梁振動微分方程代入初始條件和邊界條件，得到車體的一階垂向彎曲振動頻率方程[11]及計算頻率ω1和實車頻率ω0之間的相對誤差δ，

(2)

(3)

式中：

ω——一階垂向彎曲振動頻率；

E——彈性模量；

I——梁截面對中心主軸的截面慣性矩；

l——車體長度；

m0——單位體積的質量；

A——截面面積。

聯立式(2)和式(3)得到簡化相對誤差求解公式(4)：

(4)

式中：

I0——實車梁截面對中心軸的截面慣性矩；

I1——計算梁截面對中心軸的截面慣性矩；

A0——實車截面面積；

A1——計算截面面積。

由式(4)可以看出，在材料和車體長度確定的條件下，車體一階垂彎頻率值同慣性矩I和車體橫截面積A有直接的關系。

車體截面設計參數為:底架斷面型材8個,側墻斷面型材5個,車頂斷面型材5個,內外蒙皮厚度3 mm,型材筋板厚度2.5 mm,型材筋板角度60°。

根據上述數據[1], 通過該方法求得的截面參數與某參考車體的截面參數如表1所示。利用式(4)對計算結果進行比較驗證，結果顯示其頻率的相對誤差為-3.69%。該誤差值在《地鐵限界標準》規定的5%范圍內，說明該方法用于車體結構的快速設計和優化具有一定的工程價值和應用價值。

表1 車體截面參數對比結果

4 結論

以鋁合金擠壓型材車體為研究對象，圍繞車體的有限元批量化設計，進行了針對鋁合金車體結構成型程序的編譯，并得到以下結論：

1)在鋁合金車體型腔設計中，可以利用本文的方法實現型腔的快速布置，并且控制型腔大小和角度等筋板的關鍵參數，為車體一階振動垂彎頻率的優化提供快速建模的基礎，這對于車體結構的優化設計很有意義。

2)在鋁合金車體設計中，通過對車體筋板結構特征、型材連接方式、單元類型等的分類處理，并利用Hypermensh軟件的參數化編譯功能，實現了車體截面有限元模型的快速建模，減少了產品的開發周期。

3)基于Hypermesh軟件的有限元二次開發能夠有效地應用在軌道交通等領域，并且在車體的開發過程中還可以利用類似的方法對程序進行進一步的開發和應用。