動車組蜂窩地板參數化仿真系統開發及應用

劉 偉，孫林峰

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111)

隨著新材料技術和工藝水平的提升，包括蜂窩夾層結構在內的各種復合材料越來越多地應用在高速軌道車輛上。但由于蜂窩芯本身的結構較為復雜，傳統仿真的前處理工作十分繁瑣，計算效率較低［1-4］。

本文使用PYTHON 語言，開發了基于ABAQUS的蜂窩材料結構參數化仿真系統。在該系統的試件級模塊中，預存有平拉、平壓、彎曲和側壓四類標模，以考察蜂窩結構的材料特性；在部件級模塊中，根據動車組蜂窩地板的典型安裝形式，預存有絲套和滑槽兩類標模，以考察蜂窩地板部件在實際工況中的力學表現。同時，將尺寸、安裝參數等輸入量集成在同一界面上，以實現蜂窩結構的參數化設置以及蜂窩材料的自動化仿真。

1 系統邏輯及設計

由于軌道車輛始終追求輕量化的指標，所以動車組地板通常采用輕質高強的蜂窩結構。但面對不同車型平臺的車體結構，需要有對應的不同地板安裝方式進行匹配。同時，受限于地板產品較大的尺寸規模，目前僅能通過試件級的蜂窩結構試驗確定地板的機械性能。若通過整體試驗進行其強度性能的考核，則會帶來巨大的經濟成本增加。所以，參數化的蜂窩地板仿真程序，不僅能夠靈活應對各類車型帶來的邊界條件的變化，同時也能夠極大降低新產品的研發成本和設計師的操作門檻。

針對蜂窩地板的結構性能設計及驗證，通常遵循兩種邏輯流程。其一是“材料—部件”流程，即先利用試件試驗得到材料的力學性能，再進行部件試驗考察實際工況下的結構剛度和強度表現。其二是“部件—材料—部件” 流程，即先利用部件試驗考察新結構是否滿足實際工況要求，然后再用“材料—部件”流程得到各類力學指標值。在工程上，普遍采用的是第二種邏輯流程。基于這兩類流程，通過PYTHON 語言，利用ABAQUS 二次開發的程序接口，建立了參數化仿真系統的計算流程。在流程中需要輸入的參數、包含的模塊等如圖1 和圖2 所示，系統在ABAQUS中集成的路徑以及系統包含的各個模塊的主界面如圖3 和圖4 所示。用戶可在此界面中完成所有的參數輸入工作，點擊Submit 按鈕之后系統將自動開始計算及結果后處理。

圖1 “材料—部件”的運算邏輯

圖2 “部件—材料—部件”的運算邏輯

圖3 系統在ABAQUS 中的集成路徑

根據標準規定和實際工況，本系統內置有完備的標準模型。在試件級模塊中，蜂窩面板采用S3R 殼單元建立與面板厚度相同的shell 模型，蜂窩芯使用S4R 殼單元建立與芯子完全一致的精細模型。而在部件級模塊中，蜂窩板結構使用三明治等效板模型。試驗所涉及的各類邊界夾具或部件也均有建立。圖5～圖8 展示了系統中部分的標準有限元模型。

圖5 試件級彎曲試驗仿真模塊主界面

圖6 部件級滑槽安裝形式仿真模塊主界面

圖7 平壓試驗仿真標模

圖8 絲套安裝形式的部件仿真標模

對于本系統中的兩類仿真模塊，試件級的載荷工況均已固化，詳見表1。結合動車組運營時的載荷特點，總結出6 種典型載荷作為部件級的載荷工況，如表2 所示。

表1 試件級仿真模型的工況設置

表2 部件級仿真模型的工況設置

對于系統中不同的計算模型，由于其約束邊界條件各不相同，所以為了便于用戶操作，所有模型中的接觸與約束設置均已被固化進模塊中，無需用戶單獨設置。而系統自帶的校核結果顯示模塊將會對仿真結果進行自動提取，從而實現分析報告的自動生成。

2 鋁蜂窩地板試驗及仿真模擬

為了驗證本系統仿真模型的計算準確性，進行了絲套安裝形式的鋁蜂窩地板靜載試驗與仿真，工況設定為走廊區域加載。地板部件的建模界面如圖9所示，試驗現場如圖10 所示，鋁蜂窩地板應變片粘貼位置如圖11 和圖12 所示，中央190 mm * 190 mm 區域為加載區域。載荷大小以0.4 t 為100%載荷，按照10%的遞增步進行逐級加載，最終達到2.4 t即600%載荷停止，然后逐級卸載。

圖9 絲套安裝形式的地板部件建模界面

圖10 絲套安裝形式的地板部件試驗現場

圖11 地板仿真中應變片粘貼位置

圖12 地板試驗中應變片粘貼位置

3 結果對比

記錄8 個應變片測量得到的應變值，將其與仿真分析得到的應變值進行對比，結果如表3 所示。選擇107、108 兩個應變片測得的數值同仿真值進行對比得到的曲線如圖13 和圖14 所示。

表3 絲套安裝形式的鋁蜂窩地板靜載試驗結果同仿真結果對比

圖13 107 應變片仿真與試驗結果對比

圖14 108 應變片仿真與試驗結果對比

經過試驗結果和仿真結果的對比可知：

(1)在載荷達到510%之前，試驗測得的應變值呈線性增長，表明蜂窩地板結構此時處于彈性應變階段，試驗值同仿真值的應變值變化斜率基本一致，表明仿真模型對蜂窩地板結構的剛度模擬較為準確；

(2)在載荷達到510%左右時，試驗測得的應變值斜率發生突變，表明蜂窩結構發生了失效，結構破壞，而仿真分析中蜂窩芯只賦予了彈性性能，因此斜率不會發生變化，而查看600%載荷情況下的蜂窩芯應力值，加載邊緣的應力值超過了理論分析得到的許用應力值，表明結構已經發生了失效；

(3) 由表3 中的8 個應變片數據對比可以看出，試驗值同仿真值在各個位置的誤差均控制在20%以下，排除試驗本身帶來的誤差，仿真值同試驗值的對比結果吻合程度較好，且不同位置的趨勢變化基本一致，驗證了仿真計算結果的準確性。

4 結束語

本文使用ABAQUS 作為內核求解器，通過PYTHON 語言開發了蜂窩材料結構參數化仿真系統，可以全自動化實現試件級和部件級的蜂窩結構仿真計算。用戶通過前端修改設計參數實現參數化仿真，極大提高了計算效率，也降低了對于用戶自身有限元理論的基礎要求。通過與試驗數據的對比，驗證了模塊的計算準確性，同時系統可實現新設計材料的參數存儲和報告自動生成，以方便用戶的計算反饋。