左建勇 王新偉 宋仕強(qiáng) 夏銘辰

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院, 201804, 上?！蔚谝蛔髡? 教授)

列車在制動(dòng)過程中會產(chǎn)生大量能量,導(dǎo)致制動(dòng)盤急劇升溫,同時(shí)對制動(dòng)盤的熱負(fù)荷能力要求也相應(yīng)有所提高。在制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)方法中,需要根據(jù)列車的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析,這對縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約研發(fā)成本起到了極其重要的作用。軌道交通車輛的參數(shù)和工況類型較多,仿真過程較為復(fù)雜。對于城市軌道交通及高鐵車輛而言,其運(yùn)行過程存在反復(fù)啟動(dòng)和制動(dòng)操作,對這類線路的運(yùn)行工況進(jìn)行仿真時(shí),前期載荷計(jì)算及輸入工作量極大,仿真研究效率較低。

APDL語言是ANSYS軟件內(nèi)置的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言,利用APDL語言可以便捷地組織ANSYS軟件的操作命令,實(shí)現(xiàn)對ANSYS軟件的二次開發(fā)功能。本文結(jié)合VB語言與APDL語言,實(shí)現(xiàn)對ANSYS軟件的后臺調(diào)用與自動(dòng)化仿真,并構(gòu)建交互式界面降低仿真操作難度。在ANSYS軟件的后臺仿真過程中,利用VB語言生成相應(yīng)的APDL命令流,從而實(shí)現(xiàn)仿真中的前處理、計(jì)算與后處理的全部過程,提高了仿真效率。

本文針對制動(dòng)盤仿真復(fù)雜且耗時(shí)的問題,利用VB語言建立了一種交互式參數(shù)化軌道交通車輛制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)(以下簡稱“制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)”),通過調(diào)用APDL語言實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤自動(dòng)化參數(shù)仿真,提高了制動(dòng)盤仿真效率,降低了ANSYS仿真軟件的操作門檻,為實(shí)際工程的應(yīng)用帶來了便捷。

1 交互式參數(shù)化熱仿真原理

1.1 制動(dòng)盤熱仿真原理

車輛制動(dòng)時(shí),夾鉗帶動(dòng)閘片夾緊制動(dòng)盤,制動(dòng)盤與閘片摩擦生熱。在進(jìn)行制動(dòng)盤的熱機(jī)耦合仿真時(shí),為了減少仿真時(shí)間,根據(jù)制動(dòng)盤循環(huán)對稱的特點(diǎn),選取制動(dòng)盤的1/8模型(以軸盤為例)進(jìn)行仿真。制動(dòng)盤仿真模型如圖1所示。

圖1 制動(dòng)盤仿真模型

制動(dòng)時(shí),列車從初始速度經(jīng)制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài),摩擦熱能主要集中在制動(dòng)盤中,假設(shè)摩擦產(chǎn)生的熱量在摩擦面上均勻分布,采用能量折算法計(jì)算熱流密度q(t)[1]:

q(t)=ηma(v0-at)/(2nA)

式中:

η——制動(dòng)盤的熱吸收率;

m——軸重;

n——每軸制動(dòng)盤數(shù)量;

A——制動(dòng)盤摩擦面面積;

v0——制動(dòng)初速度;

a——制動(dòng)減速度;

t——制動(dòng)時(shí)間。

在列車制動(dòng)過程中,制動(dòng)盤與空氣受到強(qiáng)制對流換熱作用,熱對流載荷主要與列車運(yùn)行速度和空氣參數(shù)有關(guān)。制動(dòng)盤在仿真分析時(shí),制動(dòng)盤仿真載荷施加示意圖如圖2所示。

圖2 制動(dòng)盤仿真載荷施加示意圖

1.2 車輛參數(shù)化

由制動(dòng)盤熱仿真原理可知,進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)需要確定列車編組、制動(dòng)盤熱效率、制動(dòng)盤裝配形式、列車速度工況及制動(dòng)盤本構(gòu)參數(shù),根據(jù)仿真所需參數(shù)設(shè)計(jì)的車輛參數(shù)化界面軟件截圖如圖3所示。

圖3 車輛參數(shù)化界面軟件截圖

1.3 運(yùn)行工況參數(shù)化

軌道交通車輛運(yùn)行工況類型較多,在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí),將運(yùn)行工況分為車輛一次制動(dòng)、兩次連續(xù)制動(dòng)、三次連續(xù)制動(dòng)及線路運(yùn)行等不同類型的運(yùn)行工況。以三次連續(xù)制動(dòng)為例,由制動(dòng)盤熱仿真原理可知,需要已知車輛的運(yùn)行速度及減速度等參數(shù)。根據(jù)仿真所需參數(shù)設(shè)計(jì)的運(yùn)行工況參數(shù)化界面軟件截圖如圖4所示。在工況參數(shù)界面中,需輸入運(yùn)行過程中的車輛惰行時(shí)間、停站時(shí)間、制動(dòng)坡度、制動(dòng)減速度及制動(dòng)初速度等參數(shù)。

圖4 工況參數(shù)界面軟件截圖

2 制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)分為界面操作層、算例實(shí)現(xiàn)層和數(shù)據(jù)操作層三部分。仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖如圖5所示。界面操作層借助VB語言窗體,應(yīng)用工程中提供的多種控件構(gòu)建界面。算例實(shí)現(xiàn)層包括界面參數(shù)處理、ANSYS軟件運(yùn)算、運(yùn)算結(jié)果參數(shù)處理,通過獲取界面參數(shù)進(jìn)行計(jì)算前預(yù)處理,生成完整的APDL代碼,再利用VB語言實(shí)現(xiàn)ANSYS軟件的調(diào)用,最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理并展示。數(shù)據(jù)操作層負(fù)責(zé)調(diào)用ANSYS軟件并存取生成的數(shù)據(jù),通過VB語言對ANSYS軟件生成的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀寫,最終獲得包含仿真溫度結(jié)果和仿真應(yīng)力結(jié)果的分析報(bào)告。

圖5 仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2.1 界面操作層

制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)基于VB語言建立外部人機(jī)交互界面,主要包括軟件開始界面、參數(shù)輸入界面及結(jié)果展示界面。操作人員在參數(shù)輸入界面輸入仿真計(jì)算所需參數(shù),在仿真完成后,可在結(jié)果展示界面獲取仿真結(jié)果。

2.2 算例實(shí)現(xiàn)層

2.2.1 界面參數(shù)處理

操作人員在交互界面填寫仿真所需參數(shù),如車輛參數(shù)、制動(dòng)盤選擇、工況參數(shù)等。仿真系統(tǒng)根據(jù)操作者的參數(shù)設(shè)置,計(jì)算施加在制動(dòng)盤上的熱載荷,并輸出APDL命令流。命令流主要包括前處理模塊、仿真計(jì)算模塊和后處理模塊。APDL命令流模塊組成示意圖如圖6所示。

圖6 APDL命令流模塊組成示意圖

2.2.2 ANSYS軟件運(yùn)算

仿真系統(tǒng)將VB語言與ANSYS軟件結(jié)合起來,在生成完整的APDL命令流之后,使用VB語言后臺調(diào)用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算[2]。調(diào)用程序的關(guān)鍵代碼為:

Dim x As Double x=Shell("D:ANSYSAnsys190ANSYSIncv190ansysinintelANSYS190.exe-b-pane3fl-iD:ansys.txt-oD: esult.txt" , vbNor-malFocus)

2.2.3 運(yùn)算結(jié)果參數(shù)處理

ANSYS軟件運(yùn)算完成后,根據(jù)APDL命令流生成jpg格式的溫度云圖和應(yīng)力云圖,以及包含結(jié)果時(shí)間歷程數(shù)據(jù)的txt文件。

2.3 數(shù)據(jù)操作層

結(jié)束計(jì)算后,制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)調(diào)用ANSYS軟件生成的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀寫。利用VB語言的圖片處理和字符串處理功能,在結(jié)果展示界面顯示仿真結(jié)果。將仿真結(jié)果插入Word報(bào)告對應(yīng)位置,生成一份完整的仿真報(bào)告。

3 仿真案例

以某型車輛為例,基于制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)對其制動(dòng)盤進(jìn)行仿真計(jì)算,獲得制動(dòng)盤的溫度和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,并將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。同時(shí),由于手動(dòng)操作ANSYS軟件需要進(jìn)行參數(shù)定義、施加載荷計(jì)算、網(wǎng)格劃分等繁瑣操作,記錄制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)完成仿真所需時(shí)間及手動(dòng)操作ANSYS軟件完成相同案例仿真所需時(shí)間,并對二者進(jìn)行對比分析。

3.1 仿真參數(shù)

計(jì)算車輛在最大載荷狀態(tài)、平直道條件下的制動(dòng)盤一次純空氣緊急制動(dòng)結(jié)果。車輛及工況主要參數(shù)如表1所示。

表1 車輛及工況主要參數(shù)[3]

3.2 仿真結(jié)果

通過制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)對上述模型進(jìn)行仿真,仿真結(jié)束后,在仿真結(jié)果界面查看制動(dòng)盤的溫度仿真結(jié)果和應(yīng)力仿真結(jié)果,如圖7所示。

a) 溫度

3.3 仿真結(jié)果對比

對比制動(dòng)盤溫度仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的測試結(jié)果,如圖8所示。由圖8可知,整個(gè)制動(dòng)過程中仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的溫度誤差在5%范圍內(nèi),證明制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

圖8 制動(dòng)盤溫度仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比

制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)的仿真時(shí)間為6 min,手動(dòng)操作ANSYS軟件仿真時(shí)間為62 min。這是由于熱仿真系統(tǒng)無需進(jìn)行繁瑣的參數(shù)定義、網(wǎng)格劃分、載荷施加、結(jié)果提取等復(fù)雜的ANSYS界面處理操作。由此可知,制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)能夠大幅提高仿真計(jì)算效率。

4 結(jié)論

1) 介紹了交互式參數(shù)化軌道交通車輛制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng),闡明了熱仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。

2) 以某型車輛為例,通過制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,并將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可靠性。

3) 制動(dòng)盤熱仿真系統(tǒng)將仿真計(jì)算時(shí)間從手動(dòng)操作的62 min減少至6 min,可以有效提高仿真計(jì)算效率。