轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度仿真模板開發(fā)研究

段華東，李云召，蔣忠城

(南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度仿真模板是南車株洲電力機(jī)車有限公司封裝構(gòu)架靜強(qiáng)度分析和自由模態(tài)分析的完整過程、行業(yè)規(guī)范、計算分析方法和分析參數(shù)，為設(shè)計人員、分析人員定制開發(fā)的專業(yè)仿真分析向?qū)Чぞ?。該模板?yīng)用ANSYSWorkBench的集成和應(yīng)用平臺實現(xiàn)流程化分析和參數(shù)化設(shè)置，完成構(gòu)架CAD-CAE的協(xié)同仿真和多工況多方案設(shè)計與優(yōu)化，突出優(yōu)點是將構(gòu)架仿真過程集成化、中文向?qū)Щ?、工程定制化?/p>

模板開發(fā)按國際鐵路聯(lián)盟UIC 615-4《動力車—轉(zhuǎn)向架和走行部—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測試》等標(biāo)準(zhǔn)封裝工況及對應(yīng)載荷，同時積累了專家級的研究經(jīng)驗。主要定制功能如下:

(1)交互式操作界面，可視圖形化管理;

(2)實現(xiàn)材料數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和仿真操作幫助信息的封裝;

(3)支持多工況分類定義，封裝工況與對應(yīng)載荷的關(guān)聯(lián)關(guān)系;

(4)通過APDL命令流定義彈簧單元封裝約束條件;

(5)支持多工況的結(jié)果合成;

(6)可按用戶提供的仿真報告模板自動生成固定文字、有明確定義的數(shù)據(jù)表格和圖片，形成規(guī)范化的仿真報告［1］;

(7)具有開放的功能接口，用戶可定制其他特殊工況進(jìn)行構(gòu)架計算。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 建立分析流程

如圖1所示，整個分析流程集中在DM處理和DS處理過程，DM進(jìn)行幾何模型處理，而仿真模板主要實現(xiàn)DS過程，包括導(dǎo)入定制的構(gòu)架仿真模板平臺、建立工程文件、網(wǎng)格劃分、工況定義、計算參數(shù)與工作面定義、邊界條件定義、多工況求解設(shè)置和仿真報告自動生成。

如圖2所示，模板界面嵌入DS中，運用DHTML技術(shù)(Html+JavaScript+CSS)搭建動態(tài)網(wǎng)頁界面，調(diào)用ANSYSWorkbench Mechanical的內(nèi)置功能函數(shù)、各種外部函數(shù)和外部應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)模塊功能［1］。

圖1 構(gòu)架仿真模板的分析流程圖

1.2 數(shù)據(jù)無縫輸入接口定制

CAD-CAE一體化協(xié)同技術(shù)主要實現(xiàn)CAD模型的無縫導(dǎo)入CAE功能，且實現(xiàn)CAD與CAE的交互性及參數(shù)傳遞。以往的CAE模型，均需要從CAD系統(tǒng)導(dǎo)入，但需要復(fù)雜繁瑣的模型修復(fù)過程;而在ANSYS經(jīng)典中建立模型浪費大量人力物力，而且結(jié)果不理想［2］。

ANSYSWorkBench具有定制的數(shù)據(jù)輸入接口，無需修復(fù)可批量導(dǎo)入 STEP、IGES、PARASOLID、SAT、UG、ANSYSNEUTRAL等WorkBench所支持的類型，而且可實現(xiàn)交互性和參數(shù)傳遞。

1.3 DM模型處理

由于WorkBench具有無縫導(dǎo)入CAD模型功能，CAD模型自帶的部件干涉，細(xì)小碎面、小邊等影響DS操作。為此DM設(shè)置有Fault Detection錯誤檢查、Small Entity Search碎面小邊檢查、Body Clash Detec-tion干涉檢查以及Repair修理和Body Operation體操作等模型處理功能。另外，考慮到構(gòu)架為多體單元，實為焊接構(gòu)件，故采用Form New Part功能將不同構(gòu)件重新組合成多體零部件以共享幾何拓?fù)浼肮?jié)點。

圖2 構(gòu)架仿真模板界面示意圖

1.4 高斯積分點應(yīng)力結(jié)果設(shè)置

模板具有多種應(yīng)力結(jié)果設(shè)置功能，常用的是Von-Mises應(yīng)力。但為增加計算精度，構(gòu)架模板的應(yīng)力結(jié)果增加了高斯積分點，這些點的收斂性好、計算精度高。高斯積分方法具有最高的計算精度，采用n個積分點的高斯積分可以達(dá)到2n－1階的精度。很多情況下，實際選取的高斯積分點數(shù)低于精確積分的要求，往往可以取得比完全精確積分更好的精度。

2 主要模塊實現(xiàn)

2.1 DS 網(wǎng)格處理

網(wǎng)格劃分模塊設(shè)置各幾何部件的單元尺寸和網(wǎng)格劃分方法，包括全局Curvature和Proximity，最終生成離散模型。網(wǎng)格劃分主要分自動劃分、六面體為主、四面體的體網(wǎng)格劃分方法和四邊形、三角形的面體網(wǎng)格劃分方法;模板能選擇不同零部件的CAE模型，能夠基于幾何點、線、面、體自動劃分對應(yīng)類型的高質(zhì)量單元，能夠基于節(jié)點自動生成rbe剛性節(jié)點、mass質(zhì)量、spring彈簧、beam梁等特殊單元類型，且封裝包括18系列在內(nèi)的所有常見單元類型。

網(wǎng)絡(luò)劃分模塊能統(tǒng)計產(chǎn)生的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)，并且進(jìn)行簡單的網(wǎng)格質(zhì)量檢查如Skewness單元畸變度、Aspect Ratio縱橫比、Jacobian Ratio雅克比，且可對級別較差的單元細(xì)分處理。

2.2 載荷工況設(shè)置

工況設(shè)置模塊設(shè)置工況35個，其中主要運營工況14個、超常載荷工況10個、特殊運營工況10個、模態(tài)分析工況1個。這些工況主要依據(jù)UIC 615－4等標(biāo)準(zhǔn)列出了所有常見載荷工況以供選擇，并能夠直接對所選擇工況中的載荷數(shù)值、加載位置等進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置并自動加載。該模塊能進(jìn)行單個或多個工況選擇，也能進(jìn)行不同工況類別選擇，而且設(shè)置了每個工況的幫助信息。

2.3 計算參數(shù)設(shè)置

計算參數(shù)模塊封裝了所有計算參數(shù)、載荷施加面、約束施加面、參考面及參考線等。計算參數(shù)定義子模塊顯示與已定義工況相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，可方便交互輸入?yún)?shù);幾何面定義子模塊顯示與已定義工況相關(guān)聯(lián)的幾何部件，幾何分組界面展開時會檢測各幾何部件是否已經(jīng)被定義;點選預(yù)定義的加載面和約束面，實現(xiàn)對應(yīng)區(qū)域的快速定義。另外通過參數(shù)定義，可以定義模擬實際力作用位置的遠(yuǎn)程點及遠(yuǎn)程力等。

2.4 載荷和邊界設(shè)置

載荷和邊界設(shè)置模塊封裝強(qiáng)度分析中已定義工況所有涉及的載荷和約束定義，并能夠直接對所選擇工況的載荷和約束條件進(jìn)行選擇性設(shè)置?；谝言O(shè)置完畢的載荷區(qū)域，通過仿真模板的載荷設(shè)置窗口，輸入載荷類型、各向載荷分量等參數(shù)，實現(xiàn)載荷的快速自動化添加。所有約束均通過APDL命令流實現(xiàn)，并顯示約束進(jìn)度條。

2.5 批量求解及后處理功能

批量求解模塊能夠一次提交一個或多個工況同時進(jìn)行計算，實現(xiàn)無人值機(jī)計算。后處理功能，實現(xiàn)典型仿真結(jié)果的自動提取和分析報告的自動生成。根據(jù)求解結(jié)果的需要，在模板界面中，可勾選高斯積分點應(yīng)力結(jié)果，可單獨勾選基本工況組下的某些工況，可勾選完全合成工況(含制動)或者完全合成工況(含牽引)。如果需要將計算結(jié)果輸出到計算報告中，請勾選典型合成工況組下的典型工況，所有計算結(jié)果能插入在定制化的仿真報告中。

3 案例分析

基于上述模板，分析了某型地鐵構(gòu)架的靜強(qiáng)度。構(gòu)架模型的離散采用帶中間節(jié)點的高階四面體單元SOLID187，局部面體單元采用SURF154細(xì)化;一系彈簧座采用縱向、橫向及垂向彈簧單元COMBIN14以便較好地模擬實際支撐情況。計算模型節(jié)點總數(shù)為1 994 522個，單元總數(shù)為1 182 784個，離散模型見圖3，加載模型見圖4，高斯積分點應(yīng)力結(jié)果見圖5，模態(tài)振型見6。

圖3 離散模型示意圖

圖4 加載位置示意圖

圖5 高斯積分點應(yīng)力結(jié)果示意圖

圖6 模態(tài)振型示意圖

4 結(jié)束語

基于ANSYS WorkBench的構(gòu)架靜強(qiáng)度仿真模板開發(fā)實踐，將工程實際需求轉(zhuǎn)化為軟件應(yīng)用，實現(xiàn)了分析過程與分析工具的高度統(tǒng)一和緊密結(jié)合及其可視圖形化管理。

可幫助仿真人員減少重復(fù)性的手動操作以及實現(xiàn)手動操作無法實現(xiàn)的功能，提升了仿真人員分析能力，且能引導(dǎo)初學(xué)者快速熟悉仿真業(yè)務(wù)，為后續(xù)模板的開發(fā)提供了經(jīng)驗和參考依據(jù)。

［1］岳 勇.基于 ANSYS WorkBench的仿真模板二次開發(fā)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，(3):140-141.

［2］楊國旗，虞 彪.基于ANSYSWorkBench的發(fā)動機(jī)連桿有限元分析［J］.裝備制造技術(shù)，2011，(10):23-25.