基于HyperWorks和simpack的某轨道列车刚柔耦合模型计算

基于hyperworks的某轨道列车刚柔耦合模型计算

董思

(青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司、山东青岛、266111)

摘要：从高速动车组运用的舒适性角度出发，考虑到车体的弹性变形对乘客的舒适性影响，

需要将车体处理成柔性车体。本文借助有限元分析软件hyperworks中的optistruct对车体进行结构模态综合分析，然后将结构模态综合分析的结果导入到多体动力学软件中，进行刚柔耦合模型建立。

关键词：高速动车组；柔性车体；hyperworks；刚柔耦合

1 概述

我国幅员辽阔，人口流动大，铁路运输以其运载量大、经济性好、安全可靠、绿色环保等优势在国民经济中发挥重要作用。在短短几年间，经过几次大提速，列车运行速度从160km/h逐渐提升到380km/h。高速动车组由于运行速度高，车辆的振动更加显著，这直接影响到乘坐人员的舒适性。因此车辆舒适性研究显得越来越重要。在舒适性计算中需要考虑车体的柔性影响，就需要把车体做成柔性体。常规车辆的多体动力学计算通常把车体、构架和轮对考虑为刚性，通过弹簧阻尼元件联结。刚柔耦合系统动力学是在多刚体动力学基础上发展起来的。

2 柔性车体模型建立

随着结构轻量化的设计，对车体振动特性的考察就需要考虑结构的弹性变形，本文以某轨道列车车体结构作为研究对象，车体有限元模型，如图1，车体有限元模型采用hypermesh进行网格划分，侧墙、底架、车顶、端墙等用等厚度壳单元模拟。底架下面挂着设备采用质量单元cnom2单元模拟，对于车体的网格划分尽量保证和车体结构相同，从而得到高精度的单元以确保计算准确，车体模型包含1379038个节点和1589722个单元。有限元模型的大小直接影响多体动力学的计算，然而如此多的单元和节点，动力学软件根本无法计算。为了进行刚柔耦合多体动力学分析和节省柔性多体数值计算的仿真时间，必须建立弹性车体的缩减形式。为了达到这一目的，采用Hypermesh对有限元模型缩减。

在hyperworks需要对车体进行结构模态综合技术方法（CMS）将车体的有限元模型缩减到由主节点界面自由度和一系列正则模态构成的柔性体文件，将柔性体文件输入到多体动力学软件中作为刚柔耦合的柔性体文件。

图１车体有限元模型

结构模态综合技术需要指定主节点（界面点），目的用于描述结构因主节点（界面点）上的约束或载荷产生的变形。通常在受约束的系统中，相对结构惯性力引起的变形，由约束力引起的变形更能起到主导作用，因此将所有承载点设置为主节点（界面点）是获得正确的柔性多体动力学分析结果的重要一步。结构模态综合过程中使用的主节点（界面点）与后续的多体动力学软件中的约束、加力、加铰接的点必须一致。在多体动力学软件中柔性体与刚体的相互作用是通过定义在柔性体主节点（界面点）上的约束或力元实现的。车体有限元模型大，自由度多，增加运算困难，可通过optistruct中的BSET语句释放具有动力学特性的界面点的自由度来降低柔性体文件的规模，如图2。CMSMETH(结构模态综合技术)采用CBN方法计算并输出外部超单元和多体软件的刚柔耦合分析用到的柔性体文件。

图2 释放车体界面点自由度

2 刚柔耦合模型建立及舒适性计算

输出的车体柔性体文件导入到多体动力学软件中，车体上的界面点通过弹簧、阻尼元件和刚性转向架相联结，如图3。测量车体上3个点的加速度，如图4。

图3 整车刚柔耦合模型

图4 车底测量点(主视图+俯视图)

为了正确衡量车辆的运行品质，各国铁路都根据运送货物和输送旅客的要求，制定各种指标来评估车辆及其转向架的运行品质。乘坐舒适性评价指标有UI C Sperling评价指标W、国际标准化组织的评价指标ISO2631等等。

欧洲铁路联盟（UIC）以及前社会主义国家铁路合作组织（OCKII）均采用Sperling平稳性指数来评定车辆的运行品质。车辆运行平稳性指数的经验公式为

3

其中

W 2.7z0

f

5

F(f) 0.896F(f)

f （1）

3

Z

0 — 振幅（cm）；

f — 振动频率（Hz）；

a — 加速度（cm/s2）,其值为

a z0(2 f)2

；

F(f) — 与振动频率有关的加权系数，F(f)对于垂向振动和横向振动是不同的。

表1 频率修正系数F(f)

以上的平稳性指数只适用一种频率一个振幅的单一振动，但实际上车辆在线路上运行时的振动是随机的，即频率和振幅都是随时间变化的。因此在整理车辆平稳性指数时，把实测的车辆振动加速度记录，通常按频率分类，进行频谱分析，求出每段频率范围内的振幅值，然后对每一频段计算各自的平稳性指数全部频段总的平稳性指数总的平稳性指数

Wi，然后再求出全部频段

Wtot (W1 W2 ... Wn)0.1

表2 平稳性指标

101010

（2）

稳性指数等级按表2进行分类。

通过计算不同速度等级的车辆运行平稳性，轨道激扰设置如下：车速低于160km/h采用德国标准高干扰谱，车速大于等于160km/h采用德国标准低干扰谱。按照图4的测量点计算车辆的W值，横向W值如图5，垂向W值如图6。

图5 横向W值

图6 垂向W值

3 结论

通过上述研究工作，可以得到如下主要结论：

(1) 高速车和普通列车的设计及速度不同，振动更加强烈，为了保证计算准确性，需要将车体考虑为柔性体。

(2) 车体有限元模型较大，为了保证刚柔耦合模型能顺利计算，有限元软件HyperWorks中的CMSMETH(结构模态综合技术)车体有限元模型进行模态缩减。

4 参考文献

[1] RADIOSS, MotionSolve and Optistruct , Altair HyperWorks online help.

[2] 李修峰,王亚斌,王晨编 《MotionView & MotionSolve 应用技巧与实例分析》 机械工业

出版社 2013.

[3] 严隽耄,傅茂海 《车辆工程》（第三版）中国铁道出版社 2009. [4] 周素霞,陶永忠 《SIMPACK 9 实例教程》 北京联合出版公司 2013.