崔海英　李鑫

摘要： 以靜止狀態(tài)下某高速列車車體為研究對象，將其復(fù)雜的內(nèi)外熱交換系統(tǒng)簡化為車體壁和冷橋兩部分，運用Abaqus仿真計算得到整車傳熱系數(shù)；與相似設(shè)計的動車組車體實驗結(jié)果對比可知仿真結(jié)果合理可靠.編寫Python腳本實現(xiàn)在Abaqus后處理中顯示車體壁傳熱系數(shù)K值云圖的功能，以便于指導(dǎo)車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；根據(jù)車體的原始設(shè)計并將選材成本考慮在內(nèi)，提出的三種車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，使得整車傳熱系數(shù)降低10%.

關(guān)鍵詞： 高速列車； 車體； 車體壁； 冷橋； 傳熱系數(shù)； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化； Abaqus； Python

中圖分類號： U270.383文獻標志碼： B

Abstract： A high-speed train body in a stationary state is taken as the research object， of which the complex internal and external heat exchange system is simplified as two parts： vehicle wall and cold bridge. The heat transfer coefficient of the vehicle is calculated by Abaqus simulation. By comparing with the experimental result of an Electric Multiple Unit train body with similar design， the simulation result is reasonable and reliable. The function that displays heat transfer coefficient contour of vehicle wall in post-processing of Abaqus is implemented by Python script. This method can be used for guiding optimization design of vehicle body structure. According to the original design of the vehicle body and taking the material cost into account， three optimization schemes about body structure are proposed， which can reduce vehicles heat transfer coefficient by 10 %.

Key words： high-speed train； vehicle body； vehicle wall； cold bridge； heat transfer coefficient； structure optimization； Abaqus； Python

0引言

高速列車不僅要保證安全高速地運行，還要為旅客和車上工作人員盡可能創(chuàng)造舒適的環(huán)境.為保持車室內(nèi)溫度恒定，除使用空調(diào)設(shè)備外，車體還必須具有良好的隔熱性能，車體傳熱系數(shù)K便是衡量其隔熱性能的重要參數(shù).[1-2]采用計算機仿真技術(shù)不僅可以計算K值，還可以根據(jù)仿真結(jié)果指導(dǎo)車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化.[3]現(xiàn)有的計算方法通常將車體三維傳熱問題簡化為一維問題，誤差較大，并且難以反映各種部件裝配間隙對傳熱的影響.[4-5]另外，通用仿真軟件不具備直觀顯示K值分布的功能，不利于提出結(jié)構(gòu)熱工優(yōu)化方案.[6]

本文以靜止狀態(tài)下某高速列車車體為研究對象，通過Abaqus仿真計算其傳熱系數(shù)K，并與相似設(shè)計的動車組車體實驗結(jié)果對比，通過二次開發(fā)實現(xiàn)在Abaqus后處理中顯示車體壁K值云圖的功能，最終提出降低整車K值的車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案.

1計算方法

高速列車車體的內(nèi)外熱交換系統(tǒng)較為復(fù)雜，車頂部分的傳熱路徑為：車體外側(cè)涂料—中空鋁型材—阻尼漿—隔熱層—內(nèi)飾件，車體內(nèi)外壁之間還有各種冷橋結(jié)構(gòu)交錯組合.本文將此復(fù)雜的傳熱系統(tǒng)簡化為車體壁和冷橋2部分，基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理，在不考慮輻射傳熱的前提下運用Abaqus仿真軟件分別計算得到各部分的傳熱量，再通過式（1）計算整車傳熱系數(shù)K[7].K=ΦA(chǔ)（t高-t低）（1）式中：Φ為傳熱量，W；A為傳熱面積，m2；t高和t低分別為車體內(nèi)、外側(cè)溫度，K.

2計算條件

設(shè)置車室內(nèi)外的溫度和車體內(nèi)外的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)作為邊界條件.根據(jù)《鐵道客車采暖通風(fēng)設(shè)計參數(shù)》[8]，靜止狀態(tài)下車體的邊界條件為：車室外計算溫度為280.5 K；車室內(nèi)計算溫度為305.5 K；車體外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為16 W/（m2·K）；車體內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為8 W/（m2·K）.車體結(jié)構(gòu)使用材料的熱導(dǎo)率見表1.另外，車體的風(fēng)道結(jié)構(gòu)中存在空氣層，可查《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[9]得到熱流水平及熱流向下情況下不同厚度流動空氣層的熱導(dǎo)率，見表2.

3傳熱系數(shù)計算

3.1車體壁

車體壁是由各種均質(zhì)材料層層疊加組合而成的.根據(jù)車體結(jié)構(gòu)，將車體壁劃分為4個區(qū)域：觀光室、一位端通過臺、客室和二位端，見圖1.各區(qū)域又由若干子區(qū)域構(gòu)成.仿真計算時先分析各子區(qū)域的傳熱路徑，然后按照由車體外側(cè)至車體內(nèi)側(cè)的鋪層方向在Abaqus中建立各子區(qū)域的鋪層簡化模型，最后計算得到車體壁傳熱系數(shù)Kb.

4.2車窗和車門

計算車體壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時，車窗和車門傳熱系數(shù)已知，分別為2.620和4.400 W/（m2·K）.根據(jù)市場調(diào)研，選用隔熱性能更好的車窗和車門，可使其傳熱系數(shù)分別降低至1.900和4.000 W/（m2·K），則優(yōu)化后整車Kz為1.184 W/（m2·K），比原始設(shè)計降低3.4%.

4.3二位端門

在原始設(shè)計時，該車二位端門的鋪層結(jié)構(gòu)為端門鋁型材+空氣層130 mm+三維鋁蜂窩20 mm.可考慮在端門鋁型材表面適當(dāng)鋪設(shè)隔熱材料.若將鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化為端門鋁型材+阻尼漿5 mm+碳纖維MCIII 30 mm+空氣層95 mm+三維鋁蜂窩20 mm，則優(yōu)化后整車Kz為1.184 W/（m2·K），比原始設(shè)計降低3.4%.

5結(jié)論

（1）將高速列車車體復(fù)雜的內(nèi)外熱交換系統(tǒng)簡化為車體壁和冷橋2部分，運用Abaqus仿真計算得到整車傳熱系數(shù)Kz為1.226 W/（m2·K），并與相似設(shè)計的動車組車體實驗結(jié)果對比，誤差為-9.2 %.考慮到本文忽略輻射傳熱且車體冷橋部位傳熱路徑較為復(fù)雜，因此認為計算結(jié)果合理可靠.

（2）通過編寫Python腳本實現(xiàn)在Abaqus后處理中顯示車體壁傳熱系數(shù)Kb值云圖的功能，有利于結(jié)構(gòu)熱工優(yōu)化方案的提出.

（3）根據(jù)車體的具體設(shè)計并將選材成本考慮在內(nèi)，綜合使用本文提出的3種優(yōu)化方案，可將整車傳熱系數(shù)降低10%，實現(xiàn)車體綜合節(jié)能設(shè)計技術(shù)的提高.參考文獻：

[1]黃兆麟， 盧汝鈞， 王興江， 等. 小型單元式空調(diào)機組[J]. 鐵道車輛， 2000， 38（5）： 17-20. DOI： 10.3969/j.issn.1002-7602.2000.05.006.

HUANG Z L， LU R J， WANG X J， et al. Small self-contained air-conditioner sets[J]. Rolling Stock， 2000， 38（5）： 17-20. DOI： 10.3969/j.issn.1002-7602.2000.05.006.

[2]孫相業(yè)， 王書傲， 談越明. 淺析客車通風(fēng)[J]. 鐵道車輛， 1999， 37（9）： 32-35.

SUN X Y， WANG S A， TAN Y M. Analysis of ventilation for railway passenger trains[J]. Rolling Stock， 1999， 37（9）： 32-35.

[3]熊華生. 動車組隔熱仿真及整車傳熱系數(shù)K值計算研究[D]. 青島： 青島理工大學(xué)， 2012.

[4]SCHUSTER M. Simulations of heat transfer through the cabin walls of rail vehicle[J]. Applied and Computational Mechanics， 2007（1）： 273-280.

[5]MEZRHABA A， BOUZIDI M. Computation of thermal comfort inside a passenger car compartment[J]. Applied Thermal Engineering， 2006， 26（14/15）： 1697-1704. DOI： 10.1016/j.applthermaleng.2005.11.008.

[6]蘇慈， 武雙虎， 歐陽立芝， 等. 高速動車組車體傳熱系數(shù)模擬計算研究[J]. 裝備制造技術(shù)， 2013（5）： 33-35. DOI： 0.3969/j.issn.1672-545X.2013.05.012.

SU C， WU S H， OUYANG L Z， et al. Simulative calculation research on heat transfer coefficient of high speed EMU hull[J]. Equipment Manufacturing Technology， 2013（5）： 33-35. DOI： 0.3969/j.issn.1672-545X.2013.05.012.

[7]楊世銘， 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 4版. 北京： 高等教育出版社， 2006： 12-14.

[8]鐵道客車采暖通風(fēng)設(shè)計參數(shù)： TB/T 1955—2000[S].

[9]陸耀慶. 實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊 [M]. 2版. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2008： 20.

[10]李莉， 敬俊娥， 姜云海， 等. 基于冷橋分析的列車車體K值優(yōu)化計算[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報， 2010， 31（2）： 63-68. DOI： 10.3969/j.issn.1673-4602.2010.02.013.

LI L， JING J E， JIANG Y H， et al. Optimization calculation of K value of train based on cold bridge analysis[J]. Journal of Qingdao Technological University， 2010， 31（2）： 63-68. DOI： 10.3969/j.issn.1673-4602.2010.02.013.

（編輯武曉英）