基于仿真與試驗對標(biāo)的軌道車輛有限元仿真優(yōu)化方法研究

趙子豪，趙思聰，戴 昆，王超穎，廖佩詩

(1. 中車青島四方機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)計校核工作，但隨著產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)的提升，對車體仿真精度的要求越來越高，因此需要采用仿真與試驗對標(biāo)的方法，對仿真模型進行迭代優(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象得到現(xiàn)有仿真結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)的原始誤差，通過對原始誤差進行分析，研究模型優(yōu)化方向；通過優(yōu)化方案誤差值的橫向?qū)Ρ?，實現(xiàn)提升模型仿真精度的目的；最后從邊界條件、建模方法、計算方法、非線性等方面進行優(yōu)化[2]，并以平均誤差為指標(biāo)驗證優(yōu)化方案的實現(xiàn)效果。

1 車體結(jié)構(gòu)原始模型仿真與試驗結(jié)果對標(biāo)

1.1 仿真與試驗對標(biāo)基本流程

首先，對試驗車與車體有限元模型一致性進行檢查，試驗現(xiàn)場對所有應(yīng)變片位置進行測量和記錄，現(xiàn)場跟蹤試驗情況，記錄試驗工裝及加載情況。然后，將原仿真模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析，通過分析找出影響誤差的可能原因，對仿真模型進行迭代優(yōu)化。最后，對優(yōu)化仿真模型深入分析，得出效率與質(zhì)量相對最優(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)模型見圖1。規(guī)定沿軌道方向為縱向(X向)，車軸軸線方向為橫向(Y向)，垂直軌面方向為垂向(Z向)。采用HyperWorks軟件進行計算分析，車體結(jié)構(gòu)采用20 mm左右的殼單元進行離散，其中側(cè)墻外墻板與底架邊梁的連接及門框與門立柱的連接用焊點單元模擬。

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)見表1。

表1 材料的基本力學(xué)性能

1.3 對標(biāo)工況及邊界條件

本次選擇車體結(jié)構(gòu)試驗大綱中的危險工況，即最大垂向載荷工況1.3×(空車載荷+超員乘客載荷)進行對標(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。過載垂載工況約束及加載位置分別見圖2和圖3。

圖 2 過載垂載工況約束位置

圖 3 過載垂載工況加載位置

1.4 試驗方法

圖4為本次車體結(jié)構(gòu)試驗實車。試驗采用在地板上均布放置沙袋的方式進行過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行垂向位移約束(圖6)。

圖 4 試驗實車

圖 5 過載垂載工況試驗加載方式

在重點關(guān)注位置粘貼應(yīng)變片，對加載后該位置的應(yīng)變結(jié)果進行測量，應(yīng)變片長度方向為測量的應(yīng)變方向，如圖7所示。

圖 6 過載垂載工況試驗約束垂向位移方式

圖 7 試驗應(yīng)變片粘貼位置

1.5 原始模型相對誤差對比分析

將對標(biāo)工況試驗數(shù)據(jù)應(yīng)變值超過30%屈服應(yīng)變的測點定義為高應(yīng)變區(qū)，選取過載垂載工況高應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進行相對誤差對比分析。通過對比分析得到高應(yīng)變區(qū)平均相對誤差為33.12%，測點誤差率大部分超過15%，少量測點誤差率超過30%。部分試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 原始模型試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

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對標(biāo)分析結(jié)果，對有限元模型及邊界條件等因素進行修正和優(yōu)化，具體優(yōu)化事項見表3。

表3 優(yōu)化方法一

通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方法一過載垂載工況仿真與試驗高應(yīng)變區(qū)平均誤差為28.52%，部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差率超出30%。部分試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比見表4。

優(yōu)化方案一模型中通過焊點傳遞載荷，焊點連接方式為單元對單元，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)點對節(jié)點焊接單元，以進一步提升仿真精度。

2.2 優(yōu)化方法二

殼單元與殼單元之間的焊點連接由單元對單元改為節(jié)點對節(jié)點。

通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方法二過載垂載工況仿真與試驗高應(yīng)變區(qū)平均誤差為22.01%，大部分測點誤差率在15%誤差線以內(nèi)，只有一個點誤差超過30%。部分試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比見表5。

表5 優(yōu)化方案二模型試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

優(yōu)化方案二模型中通過焊點傳遞載荷，焊點連接方式為節(jié)點對節(jié)點，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，進一步提升仿真精度。

2.3 優(yōu)化方法三

優(yōu)化方案三相對于優(yōu)化方案二作了如下修改。

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

(2) 模型中采用自動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)，生成與試驗測試數(shù)據(jù)相對應(yīng)的結(jié)果文件。

通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方法三過載垂載工況仿真與試驗高應(yīng)變區(qū)平均誤差為8.31%。誤差分布見圖8，測點誤差率基本分布在15%誤差線以內(nèi)，有一個點誤差超過30%。部分試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比見表6。

表6 優(yōu)化方案三模型試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

圖8 優(yōu)化方法三過載垂載工況仿真與試驗應(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3次優(yōu)化后，優(yōu)化方案三模型更加接近試驗的真實情況。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，說明優(yōu)化后的仿真模型更能夠準(zhǔn)確預(yù)測試驗結(jié)果，對車體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有更大的參考意義。