基于仿真與試驗對標(biāo)的軌道車輛有限元仿真優(yōu)化方法研究

趙子豪，趙思聰，戴 昆，王超穎，廖佩詩

(1. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2. 青島賽普克有限元科技發(fā)展有限公司，山東 青島 266000)

現(xiàn)有的地鐵車體結(jié)構(gòu)有限元模型建模方法和流程能夠滿足一般的設(shè)計校核工作，但隨著產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)的提升，對車體仿真精度的要求越來越高，因此需要采用仿真與試驗對標(biāo)的方法，對仿真模型進(jìn)行迭代優(yōu)化[1]，逐步提升仿真精度。

本文將以地鐵中間車車體為研究對象得到現(xiàn)有仿真結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)的原始誤差，通過對原始誤差進(jìn)行分析，研究模型優(yōu)化方向；通過優(yōu)化方案誤差值的橫向?qū)Ρ龋瑢崿F(xiàn)提升模型仿真精度的目的；最后從邊界條件、建模方法、計算方法、非線性等方面進(jìn)行優(yōu)化[2]，并以平均誤差為指標(biāo)驗證優(yōu)化方案的實現(xiàn)效果。

1 車體結(jié)構(gòu)原始模型仿真與試驗結(jié)果對標(biāo)

1.1 仿真與試驗對標(biāo)基本流程

首先，對試驗車與車體有限元模型一致性進(jìn)行檢查，試驗現(xiàn)場對所有應(yīng)變片位置進(jìn)行測量和記錄，現(xiàn)場跟蹤試驗情況，記錄試驗工裝及加載情況。然后，將原仿真模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，通過分析找出影響誤差的可能原因，對仿真模型進(jìn)行迭代優(yōu)化。最后，對優(yōu)化仿真模型深入分析，得出效率與質(zhì)量相對最優(yōu)的仿真模型。

1.2 車體結(jié)構(gòu)

地鐵中間車車體采用薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、車頂和端墻焊接而成，車體結(jié)構(gòu)模型見圖1。規(guī)定沿軌道方向為縱向(X向)，車軸軸線方向為橫向(Y向)，垂直軌面方向為垂向(Z向)。采用HyperWorks軟件進(jìn)行計算分析，車體結(jié)構(gòu)采用20 mm左右的殼單元進(jìn)行離散，其中側(cè)墻外墻板與底架邊梁的連接及門框與門立柱的連接用焊點單元模擬。

圖1 車體結(jié)構(gòu)模型

車體結(jié)構(gòu)主要材料力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 材料的基本力學(xué)性能

1.3 對標(biāo)工況及邊界條件

本次選擇車體結(jié)構(gòu)試驗大綱中的危險工況，即最大垂向載荷工況1.3×(空車載荷+超員乘客載荷)進(jìn)行對標(biāo)，載荷均布于車體底架地板上表面，底架空氣彈簧部位約束垂向位移。過載垂載工況約束及加載位置分別見圖2和圖3。

圖 2 過載垂載工況約束位置

圖 3 過載垂載工況加載位置

1.4 試驗方法

圖4為本次車體結(jié)構(gòu)試驗實車。試驗采用在地板上均布放置沙袋的方式進(jìn)行過載垂載工況載荷的加載(圖5)。在底架空簧位置墊有尼龍塊和鐵塊進(jìn)行垂向位移約束(圖6)。

圖 4 試驗實車

圖 5 過載垂載工況試驗加載方式

在重點關(guān)注位置粘貼應(yīng)變片，對加載后該位置的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行測量，應(yīng)變片長度方向為測量的應(yīng)變方向，如圖7所示。

圖 6 過載垂載工況試驗約束垂向位移方式

圖 7 試驗應(yīng)變片粘貼位置

1.5 原始模型相對誤差對比分析

將對標(biāo)工況試驗數(shù)據(jù)應(yīng)變值超過30%屈服應(yīng)變的測點定義為高應(yīng)變區(qū)，選取過載垂載工況高應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行相對誤差對比分析。通過對比分析得到高應(yīng)變區(qū)平均相對誤差為33.12%，測點誤差率大部分超過15%，少量測點誤差率超過30%。部分試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 原始模型試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

2 模型優(yōu)化方法2.1 優(yōu)化方法一

根據(jù)原始仿真模型仿真與試驗對標(biāo)分析結(jié)果，對有限元模型及邊界條件等因素進(jìn)行修正和優(yōu)化，具體優(yōu)化事項見表3。

表3 優(yōu)化方法一

通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方法一過載垂載工況仿真與試驗高應(yīng)變區(qū)平均誤差為28.52%，部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差率超出30%。部分試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比見表4。

優(yōu)化方案一模型中通過焊點傳遞載荷，焊點連接方式為單元對單元，這也是產(chǎn)生誤差的主要因素，因此需在優(yōu)化方法一的基礎(chǔ)上構(gòu)建節(jié)點對節(jié)點焊接單元，以進(jìn)一步提升仿真精度。

2.2 優(yōu)化方法二

殼單元與殼單元之間的焊點連接由單元對單元改為節(jié)點對節(jié)點。

通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方法二過載垂載工況仿真與試驗高應(yīng)變區(qū)平均誤差為22.01%，大部分測點誤差率在15%誤差線以內(nèi)，只有一個點誤差超過30%。部分試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比見表5。

表5 優(yōu)化方案二模型試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

優(yōu)化方案二模型中通過焊點傳遞載荷，焊點連接方式為節(jié)點對節(jié)點，加載后零件之間存在穿透現(xiàn)象，造成加載后力的傳遞出現(xiàn)誤差，這是產(chǎn)生誤差的主要因素，因此需在優(yōu)化方案二的基礎(chǔ)上構(gòu)建全接觸模型，進(jìn)一步提升仿真精度。

2.3 優(yōu)化方法三

優(yōu)化方案三相對于優(yōu)化方案二作了如下修改。

(1) 針對原始模型實體單元與殼單元自由度不匹配的問題，在實體單元與殼單元連接位置的實體單元之間生成一層殼單元，以協(xié)調(diào)實體單元與殼單元自由度；

(2) 模型中采用自動接觸的方式模擬零件之間的接觸傳力，創(chuàng)建接觸的位置主要為焊接連接位置，例如焊縫單元連接位置以及搭接焊位置；

(3) 分步加載：按照試驗要求第一步加入垂載，第二步施加車鉤或防爬器位置的拉伸載荷或壓縮載荷；

(4) 結(jié)果數(shù)據(jù)疊加：分步加載后，用第二步仿真結(jié)果數(shù)據(jù)減去垂載結(jié)果數(shù)據(jù)，生成與試驗測試數(shù)據(jù)相對應(yīng)的結(jié)果文件。

通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方法三過載垂載工況仿真與試驗高應(yīng)變區(qū)平均誤差為8.31%。誤差分布見圖8，測點誤差率基本分布在15%誤差線以內(nèi)，有一個點誤差超過30%。部分試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比見表6。

表6 優(yōu)化方案三模型試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

圖8 優(yōu)化方法三過載垂載工況仿真與試驗應(yīng)變值誤差分布圖

3 結(jié)論

表7為3次優(yōu)化方法誤差結(jié)果匯總。

表7 3次優(yōu)化方案誤差結(jié)果匯總 %

可以看出，經(jīng)過3次優(yōu)化后，優(yōu)化方案三模型更加接近試驗的真實情況。優(yōu)化后模型的變形精度和應(yīng)變精度較原始模型有較大提升，說明優(yōu)化后的仿真模型更能夠準(zhǔn)確預(yù)測試驗結(jié)果，對車體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有更大的參考意義。