動車組蜂窩地板參數(shù)化仿真系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)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(shù)和工藝水平的提升，包括蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在內(nèi)的各種復(fù)合材料越來越多地應(yīng)用在高速軌道車輛上。但由于蜂窩芯本身的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，傳統(tǒng)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(fā)了基于ABAQUS的蜂窩材料結(jié)構(gòu)參數(shù)化仿真系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的試件級模塊中，預(yù)存有平拉、平壓、彎曲和側(cè)壓四類標(biāo)模，以考察蜂窩結(jié)構(gòu)的材料特性；在部件級模塊中，根據(jù)動車組蜂窩地板的典型安裝形式，預(yù)存有絲套和滑槽兩類標(biāo)模，以考察蜂窩地板部件在實際工況中的力學(xué)表現(xiàn)。同時，將尺寸、安裝參數(shù)等輸入量集成在同一界面上，以實現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)置以及蜂窩材料的自動化仿真。

1 系統(tǒng)邏輯及設(shè)計

由于軌道車輛始終追求輕量化的指標(biāo)，所以動車組地板通常采用輕質(zhì)高強的蜂窩結(jié)構(gòu)。但面對不同車型平臺的車體結(jié)構(gòu)，需要有對應(yīng)的不同地板安裝方式進行匹配。同時，受限于地板產(chǎn)品較大的尺寸規(guī)模，目前僅能通過試件級的蜂窩結(jié)構(gòu)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(jīng)濟成本增加。所以，參數(shù)化的蜂窩地板仿真程序，不僅能夠靈活應(yīng)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(chǎn)品的研發(fā)成本和設(shè)計師的操作門檻。

針對蜂窩地板的結(jié)構(gòu)性能設(shè)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(xué)性能，再進行部件試驗考察實際工況下的結(jié)構(gòu)剛度和強度表現(xiàn)。其二是“部件—材料—部件” 流程，即先利用部件試驗考察新結(jié)構(gòu)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(xué)指標(biāo)值。在工程上，普遍采用的是第二種邏輯流程?；谶@兩類流程，通過PYTHON 語言，利用ABAQUS 二次開發(fā)的程序接口，建立了參數(shù)化仿真系統(tǒng)的計算流程。在流程中需要輸入的參數(shù)、包含的模塊等如圖1 和圖2 所示，系統(tǒng)在ABAQUS中集成的路徑以及系統(tǒng)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(shù)輸入工作，點擊Submit 按鈕之后系統(tǒng)將自動開始計算及結(jié)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(tǒng)在ABAQUS 中的集成路徑

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和實際工況，本系統(tǒng)內(nèi)置有完備的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(tǒng)中部分的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)模

圖8 絲套安裝形式的部件仿真標(biāo)模

對于本系統(tǒng)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(jié)合動車組運營時的載荷特點，總結(jié)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(shè)置

表2 部件級仿真模型的工況設(shè)置

對于系統(tǒng)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(shè)置均已被固化進模塊中，無需用戶單獨設(shè)置。而系統(tǒng)自帶的校核結(jié)果顯示模塊將會對仿真結(jié)果進行自動提取，從而實現(xiàn)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(tǒng)仿真模型的計算準(zhǔn)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(shè)定為走廊區(qū)域加載。地板部件的建模界面如圖9所示，試驗現(xiàn)場如圖10 所示，鋁蜂窩地板應(yīng)變片粘貼位置如圖11 和圖12 所示，中央190 mm * 190 mm 區(qū)域為加載區(qū)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(xiàn)場

圖11 地板仿真中應(yīng)變片粘貼位置

圖12 地板試驗中應(yīng)變片粘貼位置

3 結(jié)果對比

記錄8 個應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變值，將其與仿真分析得到的應(yīng)變值進行對比，結(jié)果如表3 所示。選擇107、108 兩個應(yīng)變片測得的數(shù)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(jié)果同仿真結(jié)果對比

圖13 107 應(yīng)變片仿真與試驗結(jié)果對比

圖14 108 應(yīng)變片仿真與試驗結(jié)果對比

經(jīng)過試驗結(jié)果和仿真結(jié)果的對比可知：

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

(2)在載荷達到510%左右時，試驗測得的應(yīng)變值斜率發(fā)生突變，表明蜂窩結(jié)構(gòu)發(fā)生了失效，結(jié)構(gòu)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(fā)生變化，而查看600%載荷情況下的蜂窩芯應(yīng)力值，加載邊緣的應(yīng)力值超過了理論分析得到的許用應(yīng)力值，表明結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了失效；

(3) 由表3 中的8 個應(yīng)變片數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

本文使用ABAQUS 作為內(nèi)核求解器，通過PYTHON 語言開發(fā)了蜂窩材料結(jié)構(gòu)參數(shù)化仿真系統(tǒng)，可以全自動化實現(xiàn)試件級和部件級的蜂窩結(jié)構(gòu)仿真計算。用戶通過前端修改設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)參數(shù)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(chǔ)要求。通過與試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了模塊的計算準(zhǔn)確性，同時系統(tǒng)可實現(xiàn)新設(shè)計材料的參數(shù)存儲和報告自動生成，以方便用戶的計算反饋。