趙子豪，趙思聰，戴 昆，王超穎，廖佩詩(shī)

(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(jì)校核工作，但隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)的提升，對(duì)車體仿真精度的要求越來(lái)越高，因此需要采用仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)的方法，對(duì)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(duì)象得到現(xiàn)有仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的原始誤差，通過(guò)對(duì)原始誤差進(jìn)行分析，研究模型優(yōu)化方向；通過(guò)優(yōu)化方案誤差值的橫向?qū)Ρ?，?shí)現(xiàn)提升模型仿真精度的目的；最后從邊界條件、建模方法、計(jì)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(yàn)證優(yōu)化方案的實(shí)現(xiàn)效果。

1 車體結(jié)構(gòu)原始模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)

1.1 仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)基本流程

首先，對(duì)試驗(yàn)車與車體有限元模型一致性進(jìn)行檢查，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所有應(yīng)變片位置進(jìn)行測(cè)量和記錄，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤試驗(yàn)情況，記錄試驗(yàn)工裝及加載情況。然后，將原仿真模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)分析找出影響誤差的可能原因，對(duì)仿真模型進(jìn)行迭代優(yōu)化。最后，對(duì)優(yōu)化仿真模型深入分析，得出效率與質(zhì)量相對(duì)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(jiàn)圖1。規(guī)定沿軌道方向?yàn)榭v向(X向)，車軸軸線方向?yàn)闄M向(Y向)，垂直軌面方向?yàn)榇瓜?Z向)。采用HyperWorks軟件進(jìn)行計(jì)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(mén)框與門(mén)立柱的連接用焊點(diǎn)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(jiàn)表1。

表1 材料的基本力學(xué)性能

1.3 對(duì)標(biāo)工況及邊界條件

本次選擇車體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大綱中的危險(xiǎn)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(duì)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(guò)載垂載工況約束及加載位置分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖 2 過(guò)載垂載工況約束位置

圖 3 過(guò)載垂載工況加載位置

1.4 試驗(yàn)方法

圖4為本次車體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)實(shí)車。試驗(yàn)采用在地板上均布放置沙袋的方式進(jìn)行過(guò)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(yàn)實(shí)車

圖 5 過(guò)載垂載工況試驗(yàn)加載方式

在重點(diǎn)關(guān)注位置粘貼應(yīng)變片，對(duì)加載后該位置的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)變片長(zhǎng)度方向?yàn)闇y(cè)量的應(yīng)變方向，如圖7所示。

圖 6 過(guò)載垂載工況試驗(yàn)約束垂向位移方式

圖 7 試驗(yàn)應(yīng)變片粘貼位置

1.5 原始模型相對(duì)誤差對(duì)比分析

將對(duì)標(biāo)工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)變值超過(guò)30%屈服應(yīng)變的測(cè)點(diǎn)定義為高應(yīng)變區(qū)，選取過(guò)載垂載工況高應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)誤差對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比分析得到高應(yīng)變區(qū)平均相對(duì)誤差為33.12%，測(cè)點(diǎn)誤差率大部分超過(guò)15%，少量測(cè)點(diǎn)誤差率超過(guò)30%。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 原始模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)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(yàn)對(duì)標(biāo)分析結(jié)果，對(duì)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(xiàng)見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化方法一

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方法一過(guò)載垂載工況仿真與試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4。

優(yōu)化方案一模型中通過(guò)焊點(diǎn)傳遞載荷，焊點(diǎn)連接方式為單元對(duì)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(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)連接由單元對(duì)單元改為節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方法二過(guò)載垂載工況仿真與試驗(yàn)高應(yīng)變區(qū)平均誤差為22.01%，大部分測(cè)點(diǎn)誤差率在15%誤差線以內(nèi)，只有一個(gè)點(diǎn)誤差超過(guò)30%。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 優(yōu)化方案二模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

優(yōu)化方案二模型中通過(guò)焊點(diǎn)傳遞載荷，焊點(diǎn)連接方式為節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)，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(duì)于優(yōu)化方案二作了如下修改。

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

(2) 模型中采用自動(dòng)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(yàn)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(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的結(jié)果文件。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方法三過(guò)載垂載工況仿真與試驗(yàn)高應(yīng)變區(qū)平均誤差為8.31%。誤差分布見(jiàn)圖8，測(cè)點(diǎn)誤差率基本分布在15%誤差線以內(nèi)，有一個(gè)點(diǎn)誤差超過(guò)30%。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 優(yōu)化方案三模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 優(yōu)化方法三過(guò)載垂載工況仿真與試驗(yàn)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(guò)3次優(yōu)化后，優(yōu)化方案三模型更加接近試驗(yàn)的真實(shí)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(shuō)明優(yōu)化后的仿真模型更能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有更大的參考意義。