基于Tcl語言的鐵道車輛排障器流程化分析系統

吳承浩，米彩盈

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

排障器是鐵道車輛車體的重要組成部分，通過高強螺栓連接在車體底架牽引梁上，其主要作用是清除鐵道內側障礙物以避免車輛發生脫軌等運行事故。因此對于鐵道車輛排障器進行CAE分析十分必要。然而在CAE分析中，前處理約占據總分析時間的70%，而經驗不豐富的工程師會導致前處理時間大大延長，其主要原因有模型復雜、重復操作多、產品設計計算標準不熟悉等[1]。上述原因都降低了工程師的分析效率，同時也延長了產品研發的周期。

童小山和王金鵬分別設計了一款高安全性排障器，并進行了有限元計算以及試驗數據對比，計算結果表明所設計的排障器結構強度滿足EN15227標準要求[2，3]。陸天宇、鄭國君和范超研究了CAE流程自動化系統開發環境并提出了系統框架，介紹了系統開發過程，最后以實例分析論證了所開發系統的實用性[4-6]。

針對CAE分析過程中前處理時間長、操作繁瑣、分析流程未標準化等問題，本文先研究了CAE流程化分析系統所需關鍵技術，然后基于Tcl/Tk語言和HWTK GUI Toolkit等開發工具設計了排障器流程化分析系統，該系統可以快速創建并測量模型中面厚度、選取焊縫、創建螺栓、快速求解計算、提取計算結果。最終通過對比人工分析與采用本系統分析所消耗時間，驗證了所設計系統的有效性，為排障器CAE流程化分析提供了參考。

1 流程化分析系統關鍵技術

1.1 Tcl/Tk語言

Tcl是一種用于控制和擴展應用程序的動態語言。Tk作為Tcl使用最廣泛的拓展，其提供了用于開發圖形界面應用程序的工具集，可以用來創建與用戶交互的圖形界面，Tk中約有35條Tcl命令用來創建用戶圖形界面的各部件。

1.2 CAE流程創建

HyperMesh為用戶提供的API函數主要分四類，即圖形界面函數、修改函數、查詢函數和通用菜單函數，其中使用較為頻繁的是修改函數和查詢函數。HyperMesh同時也為用戶提供了較為方便的流程開發工具——HWTK GUI Toolkit。研發人員借助此工具并結合自編譯的Tcl/Tk腳本可以設計分析流程。

2 HyperMesh流程化系統設計與開發

本文設計的CAE流程化分析系統如圖1所示，主要分為前處理模塊、求解設置模塊和后處理模塊三大模塊，本文將重點介紹所設計的前處理模塊。前處理模塊下又分為模型導入、幾何處理、抽取中面、劃分網格、建立連接、焊縫庫、載荷庫等模塊。

圖1 CAE流程化分析系統

2.1 中面處理模塊設計與開發

排障器結構主要為薄板焊接而成，采用殼單元進行離散，因此排障器中面模型十分關鍵，沒有精確的中面模型，有限元計算結果精度也無法保證，本系統中設計的中面處理模塊界面如圖2所示。中面處理模塊主要分為中面抽取和厚度識別及重命名子模塊。

圖2 中面處理模塊界面

在中面抽取模塊中通過*midsurface函數調整適當的參數自動完成對實體模型抽殼處理，并將組件命名為“裝配代號_組件代號_材料_屬性～”，如圖3(a)所示。在厚度識別模塊中，由于薄板類零件所有外表面面積最大的兩個面間的距離通常為薄板的厚度，因此薄板類零件厚度測量問題可以轉化為尋找零件中兩個最大外表面距離的問題，只需遍歷計算出零件中所有外表面的面積，并進行兩兩比較，最終得到兩個最大外表面ID號，再測量這兩個面間距離便可以得到薄板厚度，并通過正則表達式匹配零件名稱，將組件命名為“裝配代號_組件代號_材料_屬性_厚度”，如圖3(b)所示，其部分代碼如下：

圖3 中面處理模塊運行效果

#尋找最大外表面面積

if {[set a$j] > $area2} {

set area1 $area2

set area2 [set a$j]

set num1 $num2

set num2 $j

} elseif {[set a$j] > $area1} {

……

set area1 [set a$j]

set num1 $j}

#利用正則表達式進行組件重命名

regsub solid $compname shell newcompname1

regusb ～ $newcompname1 “ ” newcompname

2.2 焊縫庫模塊設計與開發

本系統所設計焊縫庫模塊界面如圖4所示。根據EN12663標準要求，排障器母材與焊縫許用的安全系數不同，因此有必要對母材與焊縫分別進行評估。

圖4 焊縫庫模塊界面

排障器焊縫主要為對接焊縫和角焊縫，排障器焊縫通常位于兩塊相鄰的薄板零件之間。在CAE模型中，兩塊不同的薄板中面模型位于不同的組件之中，通常情況下可以認為兩個不同組件之間的幾何公共線即為排障器結構的焊縫線，因此可以將排障器焊縫提取問題轉化為兩不同組件之間公共線提取問題。通過HyperMesh提供的API函數遍歷循環每一組件，提取出每一組件幾何拓撲線，然后將每一組幾何拓撲線進行交集運算，最終交集運算結果即為排障器焊縫線ID號。排障器焊縫識別模塊運行效果如圖5所示，圖中所標出的節點即為腳本所識別焊接節點，其部分代碼如下：

圖5 焊縫庫模塊運行效果

#焊縫識別

foreach i $compid {

……

*createmark line 1 “by surface” {*}$surf1

Set line1 [hm_getmark line 1]

*createmark line2 “by surface” {*}$surf2

Set line2 [hm_getmark line 2]

*markintersection line 1 line 2

set lines [hm_getmark line 1]}

3 應用實例

3.1 前處理效率對比

應用本系統設計的流程對某排障器進行實例驗證，在前處理模塊中統計了人工和腳本處理相同操作所消耗時間和正確率，如表1所示。

表1 人工與腳本速度對比

從表1的對比結果可以看出：在厚度識別模塊中，采用人工測量所消耗總時間約為腳本測量的28倍，而正確率僅提高10%，其主要原因在于，排障器模型中，薄板類零件較多，人工測量組件厚度時需要不停轉換組件角度，尋找合適的測量點，此外還需大量重復點擊按鈕進行測量操作，這些原因都降低了測量效率；在焊縫識別模塊中，人工選取焊縫所消耗總時間約為腳本選取的3.43倍，且正確率不如腳本，其主要原因在于，排障器結構焊縫眾多，需要不停轉換模型角度，觀察模型中焊縫所在的位置，消耗了大量的人工精力，容易造成用戶疲憊而導致錯選、漏選焊縫，進而導致焊縫選取的正確率偏低，而采用腳本識別焊縫只需等待計算機運行，且其正確率相對于人工識別更高。

3.2 排障器靜強度計算結果

根據EN15227標準要求，排障器靜強度計算共有2種工況，如表2所示。

表2 排障器靜載荷工況

按照本文所設計的流程完成模型前處理以及求解設置后，導出求解文件，在ANSYS軟件中進行后處理求解計算。排障器的von Mises應力云圖如圖6所示。排障器材料為S460NL，其母材許用應力為400 MPa，焊縫處許用應力為363.63 MPa。在工況1下，排障器母材最大von Mises應力為323.308 MPa，出現在排障器與底架連接板的螺栓孔邊，焊縫最大von Mises應力為190.663 MPa，出現在排障器縱向連接梁孔邊焊縫處。在工況2下，排障器母材最大von Mises應力為359.047 MPa，出現在排障器與底架牽引梁連接的螺栓孔邊，焊縫最大von Mises應力為234.180 MPa，出現在排障器縱向連接梁與安裝板連接焊縫處。上述排障器計算結果表明，該排障器母材處安全系數均大于1.15，焊縫處安全系數均大于1.265，因此該排障器滿足靜強度設計要求。

圖6 排障器應力云圖

4 結論

本文系統地研究了排障器仿真分析流程及其關鍵技術，工程師通過本系統輸入相關參數可以快速建立排障器有限元模型，完成模型前處理、求解設置，并且在外部調用ANSYS軟件進行求解計算，求解完成后可通過定制開發的腳本對ANSYS計算結果進行提取與分析。

通過對比人工與使用本系統進行有限元分析所消耗的時間和正確率可知，在正確率大致相等的情況下，采用腳本效率是人工效率的3倍～28倍，驗證了本系統設計的有效性。利用本系統可以提高分析效率、標準化分析流程、縮短產品研發周期，為工程師提供巨大方便。