CN110321596B - 一种基于有限元分析的机车车辆结构仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于有限元分析的机车车辆结构仿真方法。在机车车辆重要系统设计仿真过程中，涉及到结构强度分析，模态分析，随机振动分析等，仅为研究人员提供一个独立的设计计算、分析工具已不能满足使用需求。本发明是在ANSYS Workbench 18.0环境下，开发了机车车辆重要系统仿真分析模板系统，为不同的仿真分析工况或类型提供分析流程和过程向导。本发明建立了机车车辆重要系统产品（包括以下三个系统：冷却系统钢结构、空气制动柜、三轴转向架构架）的静强度分析、模态分析、随机振动分析等不同分析类型的分析流程。本发明的使用可以提高设计分析人员的技术水平，提高机车车辆重要系统设计效率，降低机车车辆重要系统研制成本。
Description
技术领域
本发明涉及仿真分析领域，特别涉及一种基于有限元分析的机车车辆结构仿真方法。
背景技术
机车的研发是一个复杂的系统工程，随着计算机辅助技术的发展，仅为研究人员提供一个独立的设计计算、分析工具已不能满足使用需求。同时，机车车辆重要系统的设计与分析是一项技术含量相当高的工作，对相关的工作人员要求较高，培养一名设计人员或者分析人员需要很长的时间。而工作人员的流失对于整个工作的开展影响非常大。所以将机车车辆重要系统设计与分析中相应的经验与知识封装起来，并以模板的形式固化下来非常重要。
在机车车辆重要系统设计仿真过程中，涉及到结构强度分析，模态分析，随机振动分析等。各学科仿真分析过程均会产生大量的仿真文件数据。在进行各学科仿真分析时，各学科生成的仿真数据、仿真模型之间的数据传递也相当频繁。而目前仿真分析各种数据之间的传递基本上通过手工方式，因此效率非常低下，缺乏一个统一的仿真工程环境对仿真工具、仿真分析数据和仿真过程进行高效的集成管理。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明是将机车车辆重要系统设计及仿真分析中的经验知识整理封装，开发相应的快速仿真模板，以实现对整个仿真分析过程的统一管理。基于此，在多方听取意见，深入了解机车车辆重要系统建模和仿真分析的流程后，追加和完善了大量实用功能，开发了适合于机车车辆重要系统仿真分析过程的分析模板。
定制机车车辆重要系统有限元分析的应用环境，并在分析流程定制的基础上，根据实际的结构分析任务，进行分析模板的开发，并能够基于模板完成具体的仿真分析过程。具体能够支持如下的分析类型：静强度分析、模态分析和随机振动分析。
每类分析的模板具有如下基本应用功能：
a.提供交互式操作界面；
b.CAD模型的导入识别；
c.各种载荷定义的功能；
d.约束条件定义的功能；
e.求解信息的设置；
f.单分析类型求解或批量求解；
在ANSYS Workbench 18.0环境下开发机车车辆重要系统仿真分析模板系统，为不同的仿真分析工况或类型提供分析流程和过程向导。建立机车车辆重要系统产品的静强度分析、模态分析、随机振动分析等不同分析类型的分析流程。
同时，针对每种分析类型，通过模板的形式引导用户快速完成几何模型导入、接触连接创建、网格划分、边界条件施加、求解和后处理等，实现自动化仿真分析。
本发明具有的优点和积极效果是：可以提高机车车辆重要系统仿真结果的准确性，提高机车车辆重要系统的设计效率，降低机车车辆重要系统研制成本。
附图说明
图1机车车辆结构仿真系统功能树
图2机车车辆结构仿真系统启动界面
图3冷却系统钢结构分析模板界面
图4空气制动柜结构分析模板界面
图5三轴转向架构架梁结构参数化建模界面
图6三轴转向架构架结构分析模板界面
具体实施方式
机车车辆结构仿真系统功能树如图1所示。
机车车辆结构仿真系统启动界面如图2所示。在启动界面里可以进行如下操作：
1)设置机车车辆重要系统力学分析的工程名称及工作路径；
2)完成分析系统的选择，可选的系统有：冷却系统钢结构、空气制动柜、三轴转向架构架；
3)点击“进入仿真分析系统”按钮，自动启动ANSYS Workbench18.0，并根据选择的分析系统创建对应的分析工程。
选择不同的分析系统会开始不同的分析，以下是各个系统分析功能的介绍。
1.冷却系统钢结构分析模板包含以下内容：
1)分析流程搭建
根据前面启动界面的相应设置，按配置信息在ANSYS Workbench项目界面中自动创建冷却系统钢结构分析流程，实现了数据之间的无线传递，同时保证几何及材料属性的统一性。搭建好分析流程后，系统会在选定的工作路径下以给定的工程名自动保存工程。在第一个模块中的Geometry项中导入需要进行分析的冷却系统钢结构几何模型文件，然后双击Model项进入Mechanical。
2)模板的启用
在Mechanical的主菜单中，点击“机车车辆结构仿真系统”展开菜单，选择“冷却系统钢结构分析模板”，在主窗口的右侧即会出现冷却系统钢结构的分析模板(见图3)。
3)命名选择集的创建
为了方便后面分析过程中质量点的创建及约束的施加，需要首先将涉及到的面进行命名，点击前面的名字后在软件主窗口中选择相应的面，点击“应用”按钮完成命名选择集的创建。
4)质量点的创建
由于几个质量点是在各自的局部坐标系下创建的，故首先需要创建相应的局部坐标系。首先选择需要的点或线，再点击后面的“创建”按钮，即可完成局部坐标系的创建。质量点的创建需要给出质量点的X、Y、Z坐标值和质量点的质量。若相应的坐标值不需要指定，直接使用选择的相关几何的中心点坐标值，则相应的输入框不输入任何数字。完成数值输入后，点击“创建”按钮完成相应质量点的创建。
5)网格模型的创建
网格模型可以设定最大和最小网格尺寸，点击“生成网格”按钮后，模板会先对一些默认的网格划分属性进行修改，其中Element Midside Nodes默认设置改为Kept，Relevance Center默认设置改为Medium，Span Angle Center默认设置改为Medium，点击“生成网格”按钮后即可生成满足相应设置的网格。
6)结构强度分析
按照需要进行分析的工况，进行十二个工况的加速度载荷设置，设置完成后点击“应用”按钮，即可完成时间步的设置、Nodal Forces默认改为Yes、SaveMAPDL db默认改为Yes、固支约束的创建、加速度载荷的创建等。点击“求解”按钮后首先插入各个工况的等效应力和总变形云图，然后开始结构强度的求解。
7)结构模态分析
模态分析提供了模态提取阶数的设置功能，点击“应用”按钮后会完成模态分析的计算设置，点击“求解”按钮后会先插入前6阶综合振型云图，然后开始模态分析的计算求解。
8)随机振动分析
随机振动分析需要首先选定加载激励的方向，然后输入相应方向的ASD频谱曲线相关数值，点击“应用”按钮后程序自动将不同频率范围内单位倍频程所对应的分贝数换算出不同频率所对应的功率谱密度值，然后按照换算出的数值创建相应的PSD加速度激励，点击“求解”按钮后会先插入等效应力、三个坐标方向的等效应力和三个坐标方向的变形的云图，然后开始随机振动的计算求解。
2.空气制动柜结构分析模板包含以下内容：
1)分析流程搭建
根据前面启动界面的相应设置，按配置信息在ANSYS Workbench项目界面中自动创建空气制动柜分析流程，实现了数据之间的无线传递，同时保证了几何及材料属性的统一性，搭建好分析流程后在选定的工作路径下以给定的工程名保存工程。在第一个模块中的Geometry项中导入需要进行分析的空气制动柜几何模型文件，然后双击Model项进入Mechanical。
2)模板的启用
在Mechanical的主菜单中，点击“机车车辆结构仿真系统”展开菜单，选择“空气制动柜结构分析模板”，在主窗口的右侧即会出现空气制动柜的分析模板(见图4)。
3)命名选择集的创建
为了方便后面分析过程中质量点的创建及约束的施加，需要首先将涉及到的面或线进行命名，点击前面的名字后在软件主窗口中选择相应的面或线，点击“应用”按钮完成命名选择集的创建。
4)质量点的创建
质量点的创建需要给出质量点的X、Y、Z坐标值和质量点的质量。若相应的坐标值不需要指定，直接使用选择的相关几何的中心点坐标值，则相应的输入框不输入任何数字。完成数值输入后，点击“创建”按钮完成相应质量点的创建。
5)网格模型的创建
网格模型可以设定最大和最小网格尺寸，点击“生成网格”按钮后，模板会先对一些默认的网格划分属性进行修改，其中Element Midside Nodes默认设置改为Kept，Relevance Center默认设置改为Medium，Span Angle Center默认设置改为Medium，点击“生成网格”按钮后即可生成满足相应设置的网格。
6)结构强度分析
按照需要进行分析的工况，进行十二个工况的加速度载荷设置，设置完成后点击“应用”按钮，即可完成以下设置：时间步的设置、Nodal Forces默认改为Yes、Save MAPDLdb默认改为Yes、固支约束的创建、加速度载荷的创建等。点击“求解”按钮后首先插入各个工况的等效应力和总变形云图，然后开始结构强度的求解。
7)结构模态分析
模态分析提供了模态提取阶数的设置功能，点击“应用”按钮后会完成模态分析的计算设置，点击“求解”按钮后会先插入前6阶综合振型云图，然后开始模态分析的计算求解。
8)随机振动分析
随机振动分析需要首先选定加载激励的方向，然后输入相应方向的ASD频谱曲线相关数值，点击“应用”按钮后程序自动将不同频率范围内单位倍频程所对应的分贝数换算出不同频率所对应的功率谱密度值，然后按照换算出的数值创建相应的PSD加速度激励，点击“求解”按钮后会先插入等效应力、三个坐标方向的等效应力和三个坐标方向的变形的云图，然后开始随机振动的计算求解。
3.三轴转向架构架结构分析模板包含以下内容：
1)分析流程搭建
根据前面启动界面的相应设置，按配置信息在ANSYS Workbench项目界面中自动创建三轴转向架构架结构分析流程，实现了数据之间的无线传递，同时保证了几何及材料属性的统一性，搭建好分析流程后在选定的工作路径下以给定的工程名保存工程。双击第一个模块中的Geometry项进入DesignModeler。
2)三轴转向架构架梁结构参数化建模
在DesignModeler的主菜单中，点击“三轴转向架构架梁结构建模”展开菜单，选择“参数化建模”，在主窗口的右侧即会出现三轴转向架构架梁结构参数化建模模板(见图5)。
对于模板中各项参数具体表示的位置，可以通过点击界面右下方的“说明”按钮查看。点击“说明”按钮后，会弹出一个名为“参数示意图”的弹窗，依据示意图输入梁结构的关键点的坐标值和距离值参数，其中点坐标输入三个坐标值，坐标值之间以逗号隔开。输入完成后点击“应用”按钮即可完成三轴转向架构架梁结构的创建。
模板上方还提供了三个按钮，其中第二个按钮为“导入参数文件”，点击该按钮后会导入默认路径下的参数文件，并将值显示在下面的界面上；第三个按钮为“保存参数文件”，点击该按钮后会保存当前界面上的参数设置到默认路径下的参数文件中。
在完成三轴转向架构架梁结构的创建后，点击模板上方的第一个按钮，即“导入CAD文件”按钮，会弹出几何文件选择框，选择需要进行分析的三轴转向架构架实体结构几何文件，点击“打开”按钮，程序会导入选择的三轴转向架构架几何文件，然后自动将导入的所有体合并为一个名为“Bogie_frame”的part。完成三轴转向架构架实体结构的导入后，关闭DesignModeler回到workbench主界面，双击第二模块的Model项进入Mechanical。
3)分析模板的启用
在Mechanical的主菜单中，点击“机车车辆结构仿真系统”展开菜单，选择“三轴转向架构架结构分析模板”，在主窗口的右侧即会出现三轴转向架构架结构分析模板(见图6)。在模板打开的同时，程序会根据part的名字自动修改参数化创建的梁结构的刚柔属性，其中车轴为Flexible，其余皆为Rigid。
4)命名选择集的创建
为了方便后面分析过程中连接的创建、质量点的创建、网格控制的创建及约束和载荷的施加，需要首先将涉及到的点(或线、面、体)进行命名，点击前面的名字后在软件主窗口中选择相应的点(或线、面、体)，点击“应用”按钮完成命名选择集的创建。
5)连接的创建
连接的创建主要依赖于命名选择集的创建，在完成上面的命名选择集的创建后，连接的创建就变得非常方便了，点击相应的按钮，即可完成一组相似连接关系的创建，同时会对这些连接关系的一些参数进行设置，使之满足计算要求。程序总共提供六组相似连接关系的创建，依次点击按钮即可完成。
6)质量点的修改
因为三轴转向架构架结构分析模板是基于一个原始工程搭建的，故质量点只需要进行修改即可，程序提供了质量点质量的修改功能。若需要修改质量点的质量，填入新的质量值后，点击分组下的“更新”按钮即可完成质量的修改。
7)网格模型的创建
原始工程中，网格模型的控制有一些默认的网格划分属性已进行修改，其中Element Midside Nodes默认设置改为Kept，Relevance Center默认设置改为Medium，SpanAngle Center默认设置改为Medium。同时还有一个Body Sizing和两个Edge Sizing局部网格控制设置，程序提供了这三个局部网格控制的修改，可在界面中输入新的参数后点击“应用”按钮完成修改，点击“生成网格”按钮后即可生成符合要求的网格。
8)载荷设置
约束在原始工程中已经设置好，若需要修改约束，可以手动在WB/DS环境中完成。
载荷的修改可以在模板界面中实现。载荷的修改是在输入框里输入相应的X、Y、Z三个方向的载荷值，各个值之间以逗号隔开。如果该载荷在当前分析工况中不需要，则在输入框中输入“0,0,0”。载荷的修改是分组进行的，同一组的载荷输入新的值后，点击该分组下的“更新”按钮，即可完成这一组载荷的修改。
9)求解
完成载荷的更新后，点击“求解”按钮完成当前工况的计算，计算完成后即可查看计算结果。
Claims (1)
1.一种基于有限元分析的机车车辆结构仿真方法，其特征在于包括：定制机车车辆重要系统有限元分析的应用环境，并在分析流程定制的基础上，根据实际的结构分析任务，进行分析模板的开发，并能够基于模板完成具体的仿真分析过程；其中，机车车辆重要系统包括冷却系统钢结构、空气制动柜结构和三轴转向架构架结构，所述冷却系统钢结构的分析模板包括如下步骤：
(11)分析流程搭建：根据启动界面的相应设置，按配置信息在ANSYS Workbench项目界面中自动创建冷却系统钢结构分析流程，实现了数据之间的无线传递，同时保证几何及材料属性的统一性；搭建好分析流程后，系统会在选定的工作路径下以给定的工程名自动保存工程；在第一个模块中的Geometry项中导入需要进行分析的冷却系统钢结构几何模型文件，然后双击Model项进入Mechanical；
(12)模板的启用：在Mechanical的主菜单中，点击“机车车辆结构仿真系统”展开菜单，选择“冷却系统钢结构分析模板”，在主窗口的右侧即会出现冷却系统钢结构的分析模板；
(13)命名选择集的创建：点击前面的名字后在软件主窗口中选择相应的面，点击“应用”按钮完成命名选择集的创建；
(14)质量点的创建：首先选择需要的点或线，再点击后面的“创建”按钮，即可完成局部坐标系的创建；质量点的创建需要给出质量点的X、Y、Z坐标值和质量点的质量；若相应的坐标值不需要指定，直接使用选择的相关几何的中心点坐标值，则相应的输入框不输入任何数字；完成数值输入后，点击“创建”按钮完成相应质量点的创建；
(15)网格模型的创建：点击“生成网格”按钮后，模板会先对一些默认的网格划分属性进行修改，其中Element Midside Nodes默认设置改为Kept，Relevance Center默认设置改为Medium，Span Angle Center默认设置改为Medium，点击“生成网格”按钮后即可生成满足相应设置的网格；
(16)结构强度分析：按照需要进行分析的工况，进行十二个工况的加速度载荷设置，设置完成后点击“应用”按钮，即可完成时间步的设置、Nodal Forces默认改为Yes、SaveMAPDL db默认改为Yes、固支约束的创建、加速度载荷的创建；点击“求解”按钮后首先插入各个工况的等效应力和总变形云图，然后开始结构强度的求解；
(17)结构模态分析：模态分析提供了模态提取阶数的设置功能，点击“应用”按钮后会完成模态分析的计算设置，点击“求解”按钮后会先插入前6阶综合振型云图，然后开始模态分析的计算求解；
(18)随机振动分析：随机振动分析需要首先选定加载激励的方向，然后输入相应方向的ASD频谱曲线相关数值，点击“应用”按钮后程序自动将不同频率范围内单位倍频程所对应的分贝数换算出不同频率所对应的功率谱密度值，然后按照换算出的数值创建相应的PSD加速度激励，点击“求解”按钮后会先插入等效应力、三个坐标方向的等效应力和三个坐标方向的变形的云图，然后开始随机振动的计算求解；
所述空气制动柜结构的分析模板包括如下步骤：
(21)分析流程搭建：根据前面启动界面的相应设置，按配置信息在ANSYS Workbench项目界面中自动创建空气制动柜分析流程，实现了数据之间的无线传递，同时保证了几何及材料属性的统一性，搭建好分析流程后在选定的工作路径下以给定的工程名保存工程；在第一个模块中的Geometry项中导入需要进行分析的空气制动柜几何模型文件，然后双击Model项进入Mechanical；
(22)模板的启用：在Mechanical的主菜单中，点击“机车车辆结构仿真系统”展开菜单，选择“空气制动柜结构分析模板”，在主窗口的右侧即会出现空气制动柜的分析模板；
(23)命名选择集的创建：为首先将涉及到的面或线进行命名，点击前面的名字后在软件主窗口中选择相应的面或线，点击“应用”按钮完成命名选择集的创建；
(24)质量点的创建：质量点的创建需要给出质量点的X、Y、Z坐标值和质量点的质量；若相应的坐标值不需要指定，直接使用选择的相关几何的中心点坐标值，则相应的输入框不输入任何数字；完成数值输入后，点击“创建”按钮完成相应质量点的创建；
(25)网格模型的创建：网格模型可以设定最大和最小网格尺寸，点击“生成网格”按钮后，模板会先对一些默认的网格划分属性进行修改，其中Element Midside Nodes默认设置改为Kept，Relevance Center默认设置改为Medium，Span Angle Center默认设置改为Medium，点击“生成网格”按钮后即可生成满足相应设置的网格；
(26)结构强度分析：按照需要进行分析的工况，进行十二个工况的加速度载荷设置，设置完成后点击“应用”按钮，即可完成以下设置：时间步的设置、Nodal Forces默认改为Yes、Save MAPDL db默认改为Yes、固支约束的创建、加速度载荷的创建；点击“求解”按钮后首先插入各个工况的等效应力和总变形云图，然后开始结构强度的求解；
(27)结构模态分析：模态分析提供了模态提取阶数的设置功能，点击“应用”按钮后会完成模态分析的计算设置，点击“求解”按钮后会先插入前6阶综合振型云图，然后开始模态分析的计算求解；
(28)随机振动分析：随机振动分析需要首先选定加载激励的方向，然后输入相应方向的ASD频谱曲线相关数值，点击“应用”按钮后程序自动将不同频率范围内单位倍频程所对应的分贝数换算出不同频率所对应的功率谱密度值，然后按照换算出的数值创建相应的PSD加速度激励，点击“求解”按钮后会先插入等效应力、三个坐标方向的等效应力和三个坐标方向的变形的云图，然后开始随机振动的计算求解；
所述三轴转向架构架结构的分析模板包括如下步骤：
(31)分析流程搭建：根据前面启动界面的相应设置，按配置信息在ANSYS Workbench项目界面中自动创建三轴转向架构架结构分析流程，实现了数据之间的无线传递，同时保证了几何及材料属性的统一性，搭建好分析流程后在选定的工作路径下以给定的工程名保存工程， 双击第一个模块中的Geometry项进入DesignModeler；
(32)三轴转向架构架梁结构参数化建模：在DesignModeler的主菜单中，点击“三轴转向架构架梁结构建模”展开菜单，选择“参数化建模”，在主窗口的右侧即会出现三轴转向架构架梁结构参数化建模模板；
(33)分析模板的启用：在Mechanical的主菜单中，点击“机车车辆结构仿真系统”展开菜单，选择“三轴转向架构架结构分析模板”，在主窗口的右侧即会出现三轴转向架构架结构分析模板；在模板打开的同时，程序会根据part的名字自动修改参数化创建的梁结构的刚柔属性，其中车轴为Flexible，其余皆为Rigid；
(34)命名选择集的创建：首先将涉及到的点、线、面或体进行命名，点击前面的名字后在软件主窗口中选择相应的点、线、面或体，点击“应用”按钮完成命名选择集的创建；
(35)连接的创建：连接的创建主要依赖于命名选择集的创建，在完成上面的命名选择集的创建后，点击相应的按钮，即可完成一组相似连接关系的创建；
(36)质量点的修改：因为三轴转向架构架结构分析模板是基于一个原始工程搭建的，故质量点只需要进行修改即可，程序提供了质量点质量的修改功能， 若需要修改质量点的质量，填入新的质量值后，点击分组下的“更新”按钮即可完成质量的修改；
(37)网格模型的创建：原始工程中，网格模型的控制有一些默认的网格划分属性已进行修改，其中Element Midside Nodes默认设置改为Kept，Relevance Center默认设置改为Medium，Span Angle Center默认设置改为Medium；同时还有一个Body Sizing和两个EdgeSizing局部网格控制设置，程序提供了这三个局部网格控制的修改，可在界面中输入新的参数后点击“应用”按钮完成修改，点击“生成网格”按钮后即可生成符合要求的网格；
(38)载荷设置：约束在原始工程中已经设置好，若需要修改约束，可以手动在WB/DS环境中完成；
(39)求解：完成载荷的更新后，点击“求解”按钮完成当前工况的计算，计算完成后即可查看计算结果。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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