董靜 高永海 婁斌

摘要：針對軌道車輛鋁合金車體結(jié)構(gòu)有限元建模過程復(fù)雜、繁瑣且容易出錯的情況，本文主要研究鋁合金車體型材結(jié)構(gòu)有限元建模方式，提出型材中性面截面庫的概念，并基于HyperMesh軟件，搭建適合鋁合金車體有限元建模的型材中性面截面庫，以快速創(chuàng)建型材中性面模型；同時，將有限元仿真分析過程中的規(guī)范和經(jīng)驗封裝成不同功能的仿真分析模板，降低有限元建模難度，提高仿真分析效率，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋁合金車體；有限元建模；型材中性面；仿真分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20231930

隨著城市軌道交通日趨發(fā)展，高品質(zhì)、輕量化、高速度的車輛成為主流趨勢，鋁合金成為城市軌道車輛車體的理想材料。由于車體是軌道車輛重要的承載結(jié)構(gòu)，需要具備足夠的強度和剛度。為此，在鋁合金車體設(shè)計階段，要配合有限元仿真，分析相關(guān)力學(xué)性能，以校核其結(jié)構(gòu)強度是否滿足標準需求。

一、型材中性面截面庫建設(shè)思路

鋁合金車體中性面建模，一般在三維設(shè)計模型完成后開展，關(guān)鍵是創(chuàng)建中性面截面，然后基于中性面截面拉伸成型材，并對型材中面厚度屬性設(shè)置和修剪編輯。

（一）中性面截面創(chuàng)建

基于底架邊梁型材三維設(shè)計模型，選擇能表征結(jié)構(gòu)特征的型材特征斷面，并在型材特征斷面所在平面內(nèi)，創(chuàng)建底架邊梁型材中性面截面，如圖1所示。

（二）定位參考點確定

由于鋁合金車體由不同種類和數(shù)量的型材裝配而成，為了將中性面模型直接放置在指定位置，采用三點定位法對型材中性面截面進行定位。為便于計算型材中性面截面拉伸成中面模型時的長度，選擇中性面截面所在型材特征斷面上的任意三個特征點作為定位參考點（三點非共線），底架邊梁中性面截面的定位參考點如圖2所示。

通過三點定位，可將中性面截面與型材特征斷面之間的位置關(guān)系和方向進行綁定，后續(xù)在型材中性面截面庫應(yīng)用過程中，選擇型材三維設(shè)計模型任意截面上對應(yīng)的三個參考點，即可在該截面內(nèi)型材中性面位置上快速生成型材中性面截面。

（三）截面厚度屬性分組

由于型材結(jié)構(gòu)存在多種尺寸，為便于程序自動對中性面模型賦厚度屬性，本文將型材中性面截面內(nèi)的線段按對應(yīng)型材的厚度屬性進行分組，相同厚度線段放在同一個厚度屬性組，如圖3所示（顏色或數(shù)字相同的為同一厚度屬性）。同時，對厚度屬性分組進行規(guī)范化命名，名稱是在模型編號（或名稱）后加厚度屬性信息，厚度屬性以字母“T”開頭，并加上厚度尺寸，厚度單位為mm。

由于型材厚度存在非整數(shù)情況，而HyperMesh軟件對小數(shù)點“.”容易造成識別錯誤，導(dǎo)致信息獲取異常。為此，本文將厚度尺寸放大了100倍，基于此分類方式，該底架邊梁型材可分成5組厚度，如表1所示。

通過對型材中性面截面線段進行分組和規(guī)范化命名，后續(xù)開發(fā)的仿真分析流程模板程序可根據(jù)分組名稱自動對中性面模型進行厚度屬性設(shè)置。

二、鋁合金車體型材中性面截面庫

（一）型材中性面截面庫建設(shè)

基于HyperMesh軟件，采用API函數(shù)及tcl/tk語言，通過點—線—面的逐層升維的方式，搭建鋁合金車體型材中性面截面庫。其軟件工作界面可分為五個工作區(qū)域，如圖4所示。

1.型材庫分類和列表工作區(qū)

按型材使用部位將型材分為底架、側(cè)墻、車頂、端墻、司機室、吊掛、通用結(jié)構(gòu)等庫，型材庫中的型材按特定的編號規(guī)則進行列表。

2.型材結(jié)構(gòu)和定位參考點預(yù)覽工作區(qū)

選中（1）區(qū)中的型材編號，預(yù)覽型材三維結(jié)構(gòu)和定位參考點。

3.中性面截面創(chuàng)建工作區(qū)

按照（2）區(qū)中定位參考點示意，在三維設(shè)計模型任意截面內(nèi)，依次選擇對應(yīng)的三個參考點，在該截面內(nèi)的型材中性面位置上快速生成型材的中性面截面。

4.中性面拉伸工作區(qū)

基于（3）區(qū)中生成的中性面截面，選擇型材拉伸方向（可以雙向拉伸）和拉伸長度，快速生成相應(yīng)的型材中性面模型。

5.補充型材中性面截面

對于型材庫中不存的型材中面信息，可通過此功能補充和完善中性面截面信息。

（二）基于中性面截面庫的有限元建模流程

本文以某鋁合金車體底架邊梁型材（型材編號為214－020001）為例，描述基于型材中性面截面庫創(chuàng)建中性面模型的過程。

基于三維設(shè)計模型的名稱、所在部位以及結(jié)構(gòu)形狀，從型材中性面截面庫中找到相應(yīng)的型材，查看和確認型材截面，如圖4所示。

創(chuàng)建中性面截面，參考圖4中的型材特征參考點的位置，從三維設(shè)計模型上依次選擇對應(yīng)的三個參考點，軟件自動在選定參考點所在的型材截面內(nèi)創(chuàng)建型材中性面截面，如圖1（b）所示；并將中性面截面按厚度屬性自動分組，如圖5所示。

中性面模型生成及編輯，基于生成的中性面截面，輸入型材拉伸長度和選擇型材拉伸方向，拉伸形成中性面模型，如圖6所示，圖中不同顏色表示厚度屬性不同。

同時，對于需要編輯的中性面模型，基于HyperMesh的模型編輯功能，修剪和編輯中性面模型。

三、有限元仿真分析流程封裝

鑒于鋁合金車體有限元分析過程復(fù)雜、繁瑣且復(fù)用性較差的情況，基于HyperMesh軟件，借助API函數(shù)及tcl/tk語言，將鋁合金車體有限元仿真分析過程中的規(guī)范和經(jīng)驗進行了固化和封裝，并定制成不同功能的有限元仿真分析模板，如圖7所示。

通過仿真分析流程模板搭建，將原來手工操作的仿真分析工作自動化或半自動化處理，快速生成帶邊界條件和工況設(shè)置的有限元前處理網(wǎng)格模型文件，降低仿真建模難度，提高仿真分析效率，增加仿真知識的復(fù)用性。

四、案例驗證

本文以某鋁合金車體為例，分別基于原手工操作和基于研究成果工作的兩種模式分別進行整個車體結(jié)構(gòu)靜強度有限元分析，包括編寫仿真分析報告等內(nèi)容。由于研究成果的工作方式，實際上是基于原手工操作方式的程序化處理，有限元仿真分析結(jié)果及報告內(nèi)容與原手工操作方式的結(jié)果一致。

本文重點對比兩種建模分析方式的效率，基于研究成果，有限元前處理建模時間由原來手工操作的30天減少為18天，效率提升40%；后處理分析及報告生成由原來手工操作的4天減少為2天，效率提升50%；整個有限元仿真分析過程由原來的34天減少為20天，綜合有限元分析效率提升41%。

五、結(jié)語

通過對鋁合金車體有限元建模過程和建模方式進行研究，基于HyperMesh軟件，搭建包括厚度屬性信息的型材中性面截面庫，快速生成車體型材有限元中性面模型；同時，對鋁合金車體結(jié)構(gòu)有限元仿真分析過程中的規(guī)范和經(jīng)驗進行固化和封裝，定制包括模型獲取、特征簡化、網(wǎng)格劃分，材料屬性、焊縫創(chuàng)建、連接創(chuàng)建、邊界條件設(shè)置、結(jié)果查看及報告生成等不同功能的有限元仿真分析模板，將原來手工操作的仿真分析工作自動化或半自動化處理，以此降低仿真建模難度，提高仿真分析效率。

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通訊作者：董靜（1987），女，碩士研究生，高級工程師。