吳承浩，米彩盈

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

排障器是鐵道車輛車體的重要組成部分，通過高強(qiáng)螺栓連接在車體底架牽引梁上，其主要作用是清除鐵道內(nèi)側(cè)障礙物以避免車輛發(fā)生脫軌等運(yùn)行事故。因此對于鐵道車輛排障器進(jìn)行CAE分析十分必要。然而在CAE分析中，前處理約占據(jù)總分析時間的70%，而經(jīng)驗不豐富的工程師會導(dǎo)致前處理時間大大延長，其主要原因有模型復(fù)雜、重復(fù)操作多、產(chǎn)品設(shè)計計算標(biāo)準(zhǔn)不熟悉等[1]。上述原因都降低了工程師的分析效率，同時也延長了產(chǎn)品研發(fā)的周期。

童小山和王金鵬分別設(shè)計了一款高安全性排障器，并進(jìn)行了有限元計算以及試驗數(shù)據(jù)對比，計算結(jié)果表明所設(shè)計的排障器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足EN15227標(biāo)準(zhǔn)要求[2，3]。陸天宇、鄭國君和范超研究了CAE流程自動化系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境并提出了系統(tǒng)框架，介紹了系統(tǒng)開發(fā)過程，最后以實例分析論證了所開發(fā)系統(tǒng)的實用性[4-6]。

針對CAE分析過程中前處理時間長、操作繁瑣、分析流程未標(biāo)準(zhǔn)化等問題，本文先研究了CAE流程化分析系統(tǒng)所需關(guān)鍵技術(shù)，然后基于Tcl/Tk語言和HWTK GUI Toolkit等開發(fā)工具設(shè)計了排障器流程化分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以快速創(chuàng)建并測量模型中面厚度、選取焊縫、創(chuàng)建螺栓、快速求解計算、提取計算結(jié)果。最終通過對比人工分析與采用本系統(tǒng)分析所消耗時間，驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性，為排障器CAE流程化分析提供了參考。

1 流程化分析系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 Tcl/Tk語言

Tcl是一種用于控制和擴(kuò)展應(yīng)用程序的動態(tài)語言。Tk作為Tcl使用最廣泛的拓展，其提供了用于開發(fā)圖形界面應(yīng)用程序的工具集，可以用來創(chuàng)建與用戶交互的圖形界面，Tk中約有35條Tcl命令用來創(chuàng)建用戶圖形界面的各部件。

1.2 CAE流程創(chuàng)建

HyperMesh為用戶提供的API函數(shù)主要分四類，即圖形界面函數(shù)、修改函數(shù)、查詢函數(shù)和通用菜單函數(shù)，其中使用較為頻繁的是修改函數(shù)和查詢函數(shù)。HyperMesh同時也為用戶提供了較為方便的流程開發(fā)工具——HWTK GUI Toolkit。研發(fā)人員借助此工具并結(jié)合自編譯的Tcl/Tk腳本可以設(shè)計分析流程。

2 HyperMesh流程化系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

本文設(shè)計的CAE流程化分析系統(tǒng)如圖1所示，主要分為前處理模塊、求解設(shè)置模塊和后處理模塊三大模塊，本文將重點介紹所設(shè)計的前處理模塊。前處理模塊下又分為模型導(dǎo)入、幾何處理、抽取中面、劃分網(wǎng)格、建立連接、焊縫庫、載荷庫等模塊。

圖1 CAE流程化分析系統(tǒng)

2.1 中面處理模塊設(shè)計與開發(fā)

排障器結(jié)構(gòu)主要為薄板焊接而成，采用殼單元進(jìn)行離散，因此排障器中面模型十分關(guān)鍵，沒有精確的中面模型，有限元計算結(jié)果精度也無法保證，本系統(tǒng)中設(shè)計的中面處理模塊界面如圖2所示。中面處理模塊主要分為中面抽取和厚度識別及重命名子模塊。

圖2 中面處理模塊界面

在中面抽取模塊中通過*midsurface函數(shù)調(diào)整適當(dāng)?shù)膮?shù)自動完成對實體模型抽殼處理，并將組件命名為“裝配代號_組件代號_材料_屬性～”，如圖3(a)所示。在厚度識別模塊中，由于薄板類零件所有外表面面積最大的兩個面間的距離通常為薄板的厚度，因此薄板類零件厚度測量問題可以轉(zhuǎn)化為尋找零件中兩個最大外表面距離的問題，只需遍歷計算出零件中所有外表面的面積，并進(jìn)行兩兩比較，最終得到兩個最大外表面ID號，再測量這兩個面間距離便可以得到薄板厚度，并通過正則表達(dá)式匹配零件名稱，將組件命名為“裝配代號_組件代號_材料_屬性_厚度”，如圖3(b)所示，其部分代碼如下：

圖3 中面處理模塊運(yùn)行效果

#尋找最大外表面面積

if {[set a$j] > $area2} {

set area1 $area2

set area2 [set a$j]

set num1 $num2

set num2 $j

} elseif {[set a$j] > $area1} {

……

set area1 [set a$j]

set num1 $j}

#利用正則表達(dá)式進(jìn)行組件重命名

regsub solid $compname shell newcompname1

regusb ～ $newcompname1 “ ” newcompname

2.2 焊縫庫模塊設(shè)計與開發(fā)

本系統(tǒng)所設(shè)計焊縫庫模塊界面如圖4所示。根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)要求，排障器母材與焊縫許用的安全系數(shù)不同，因此有必要對母材與焊縫分別進(jìn)行評估。

圖4 焊縫庫模塊界面

排障器焊縫主要為對接焊縫和角焊縫，排障器焊縫通常位于兩塊相鄰的薄板零件之間。在CAE模型中，兩塊不同的薄板中面模型位于不同的組件之中，通常情況下可以認(rèn)為兩個不同組件之間的幾何公共線即為排障器結(jié)構(gòu)的焊縫線，因此可以將排障器焊縫提取問題轉(zhuǎn)化為兩不同組件之間公共線提取問題。通過HyperMesh提供的API函數(shù)遍歷循環(huán)每一組件，提取出每一組件幾何拓?fù)渚€，然后將每一組幾何拓?fù)渚€進(jìn)行交集運(yùn)算，最終交集運(yùn)算結(jié)果即為排障器焊縫線ID號。排障器焊縫識別模塊運(yùn)行效果如圖5所示，圖中所標(biāo)出的節(jié)點即為腳本所識別焊接節(jié)點，其部分代碼如下：

圖5 焊縫庫模塊運(yùn)行效果

#焊縫識別

foreach i $compid {

……

*createmark line 1 “by surface” {*}$surf1

Set line1 [hm_getmark line 1]

*createmark line2 “by surface” {*}$surf2

Set line2 [hm_getmark line 2]

*markintersection line 1 line 2

set lines [hm_getmark line 1]}

3 應(yīng)用實例

3.1 前處理效率對比

應(yīng)用本系統(tǒng)設(shè)計的流程對某排障器進(jìn)行實例驗證，在前處理模塊中統(tǒng)計了人工和腳本處理相同操作所消耗時間和正確率，如表1所示。

表1 人工與腳本速度對比

從表1的對比結(jié)果可以看出：在厚度識別模塊中，采用人工測量所消耗總時間約為腳本測量的28倍，而正確率僅提高10%，其主要原因在于，排障器模型中，薄板類零件較多，人工測量組件厚度時需要不停轉(zhuǎn)換組件角度，尋找合適的測量點，此外還需大量重復(fù)點擊按鈕進(jìn)行測量操作，這些原因都降低了測量效率；在焊縫識別模塊中，人工選取焊縫所消耗總時間約為腳本選取的3.43倍，且正確率不如腳本，其主要原因在于，排障器結(jié)構(gòu)焊縫眾多，需要不停轉(zhuǎn)換模型角度，觀察模型中焊縫所在的位置，消耗了大量的人工精力，容易造成用戶疲憊而導(dǎo)致錯選、漏選焊縫，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫選取的正確率偏低，而采用腳本識別焊縫只需等待計算機(jī)運(yùn)行，且其正確率相對于人工識別更高。

3.2 排障器靜強(qiáng)度計算結(jié)果

根據(jù)EN15227標(biāo)準(zhǔn)要求，排障器靜強(qiáng)度計算共有2種工況，如表2所示。

表2 排障器靜載荷工況

按照本文所設(shè)計的流程完成模型前處理以及求解設(shè)置后，導(dǎo)出求解文件，在ANSYS軟件中進(jìn)行后處理求解計算。排障器的von Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。排障器材料為S460NL，其母材許用應(yīng)力為400 MPa，焊縫處許用應(yīng)力為363.63 MPa。在工況1下，排障器母材最大von Mises應(yīng)力為323.308 MPa，出現(xiàn)在排障器與底架連接板的螺栓孔邊，焊縫最大von Mises應(yīng)力為190.663 MPa，出現(xiàn)在排障器縱向連接梁孔邊焊縫處。在工況2下，排障器母材最大von Mises應(yīng)力為359.047 MPa，出現(xiàn)在排障器與底架牽引梁連接的螺栓孔邊，焊縫最大von Mises應(yīng)力為234.180 MPa，出現(xiàn)在排障器縱向連接梁與安裝板連接焊縫處。上述排障器計算結(jié)果表明，該排障器母材處安全系數(shù)均大于1.15，焊縫處安全系數(shù)均大于1.265，因此該排障器滿足靜強(qiáng)度設(shè)計要求。

圖6 排障器應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)地研究了排障器仿真分析流程及其關(guān)鍵技術(shù)，工程師通過本系統(tǒng)輸入相關(guān)參數(shù)可以快速建立排障器有限元模型，完成模型前處理、求解設(shè)置，并且在外部調(diào)用ANSYS軟件進(jìn)行求解計算，求解完成后可通過定制開發(fā)的腳本對ANSYS計算結(jié)果進(jìn)行提取與分析。

通過對比人工與使用本系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析所消耗的時間和正確率可知，在正確率大致相等的情況下，采用腳本效率是人工效率的3倍～28倍，驗證了本系統(tǒng)設(shè)計的有效性。利用本系統(tǒng)可以提高分析效率、標(biāo)準(zhǔn)化分析流程、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，為工程師提供巨大方便。