论文部分内容阅读
摘要：为适应高性能复合材料磁悬浮列车车体结构设计和轻量化要求，对由高性能碳纤维材料、铝合金和高性能玻璃材料组合而成的复合材料磁悬浮列车进行参数化设计，使用Siemens NX建立参数化磁悬浮列车几何模型和有限元模型，实现车体结构和连接结构的精确数值模拟，为基于数值模拟技术的磁悬浮列车车体设计打好基础。
关键词：磁悬浮列车; 复合材料; 结构设计; 参数化; 有限元
中图分类号：U266.4;TB115.1
文献标志码：B
Numerical simulation on composite vehicle structure of maglev train （I）：
Parametric finite element model for train body design
WANG Renpeng1 ZHOU Yong1 CHENG Yumin2
（1. Tongji University Shanghai 200090 China; 2. Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics
Shanghai University Shanghai 200072 China）
Abstract：
To meet the structural design and lightweight requirements of high performance composite maglev train body the parametric design of composite maglev train composed of high performance carbon fiber material aluminum alloy and high performance glass material is carried out. Siemens NX is used to build parametric geometric model and finite element model of maglev train. The accurate numerical simulation of car body structure and connection structure is realized. It can lay a good foundation for the design of maglev train body based on numerical simulation technology.
Key words：
maglev train; composite; structure design; parameterization; finite element
0 引 言
使用先進复合材料制造列车车体，是磁悬浮列车轻量化技术的主要手段之一。[1]复合材料技术发展已经相当成熟，在航空航天和军工领域应用广泛。[23]采用数值模拟技术，先在计算机上实现大部分结构设计，再辅之以少量试验，就可达到结构设计和优化的目的。复合材料磁悬浮列车车体设计除涉及复杂的结构力学性能计算外，还需要满足其他技术要求，如车身气动优化、车体美学、振动控制与优化、乘坐舒适性等。磁悬浮列车车体由多种工程材料构成，包括高性能碳纤维复合材料、铝合金、泡沫材料、高性能工程玻璃和内饰材料等。因此，车体模型应该包含所有这些组成部分及其相互连接关系，并且可以灵活变化，以适应多种设计要求和限制。高度参数化的车体几何造型和精细有限元模型可满足上述诸多方面的要求。Siemens NX系统可提供建立高度参数化模型的环境。[4]本文使用Siemens NX系统建立满足磁悬浮列车车体设计的数字模型。
1 车体结构几何模型的参数化过程
在已有磁悬浮列车铝合金车体设计经验基础上，考虑复合材料制造工艺、复合材料部件及其连接方式、车门车窗与复合材料车体的连接方式，完成高性能碳纤维复合材料磁悬浮列车车体设计。根据复合材料车体与铝合金车厢底盘的连接方式，调整车厢底盘，方便复合材料车体与已有的走行部铝合金结构连接，保留车体底盘的主体结构，保证磁悬浮列车制造顺利实施。
车体参数化几何模型通过装配体模型实现，每个代表主要结构部件的Part模型由曲面模型构成，曲面模型由相应的sketch曲线驱动实现参数化。曲面模型可以进行精确的力学性能模拟，避免使用三维实体模型描述大量的结构部件，有效减少数值模型的规模，便于大量数值试验的快捷实现。模型的主要驱动参数曲线包括车身截面曲线、车头截面曲线和车窗车门曲线。几何参数驱动可以实现适应设计要求的车体几何模型，满足设计的各种要求和限制。[5]
车体由复合材料车体外壳、车身横向复合材料梁系、车身纵向复合材料梁系、车头横向复合材料梁系、车头纵向复合材料梁系、车厢底盘铝合金结构和车门车窗等结构部件构成。部分车体参数化几何模型见图1。
复合材料纵、横梁系形成车体的骨架结构，与车体外表的复合材料壳体共同形成车体受力体系。采用开口截面方式，纵、横方向的复合材料梁使用常见复合材料制造工艺批量生产，车体外壳结构需要较大模具加工完成。[4]
纵、横梁系与车体外壳结构的连接方式可以采用粘接、粘接辅以螺栓、螺栓3种方式。中低速磁悬浮列车的走行机构保留原有的金属结构，修改车厢底盘设计，以方便与复合材料车体结构安全连接。先初步确定复合材料车体结构与车厢底盘的连接形式，修改车厢底盘设计，车体主要连接部件见图2。
车体结构几何模型的参数化过程包括：梁系、车厢底盘和车门车窗几何形状由车体外壳几何形状驱动;车身壳体几何形状由车身截面曲线控制;车身截面曲线由若干基本几何参数控制[5]。车体参数化截面控制曲线见图3。 为适用各种设计变化要求，车体外壳几何外形由104个几何参数控制。车身横向复合材料梁的截面尺寸由24个几何参数控制，几何模型的扫掠路径由车身截面曲线控制，开口形状和尺寸由纵向复合材料梁系控制。车身纵向复合材料梁的截面尺寸由车身截面曲线和车身梁截面共23个几何参数共同控制，梁长度由车身长度参数控制。具体参数不一一列出。
车头纵向和横向复合材料梁系完全由曲面构成，其形状和尺寸控制较复杂。车头纵向梁系的曲面形状由车身曲面和梁系截面共6个几何参数共同控制。车头横向梁系的曲面形状由车身曲面和梁系截面共69个几何参数共同控制。车头梁系的截面由车身控制曲线即车窗外形控制;车头梁系的开孔由车头纵向复合材料梁系几何形状控制。
车厢底盘结构几何模型由车身曲面形状、车身和车头梁系与底盘连接的几何形状、底盘内部纵向板布置等25个几何参数共同控制。
车窗和承蒙结构几何模型比较简单，由车身曲面形狀和车身控制曲线控制。
2 车体连接结构几何模型的参数化
车体部件通过螺栓或粘接连接。为模拟部件之间连接结构的力学性能，并考虑满足多种设计和加工制造要求，在结构几何模型上建立连接结构几何模型。部件的连接结构力学模型通过连接结构的几何模型实现。
车身横向梁系的参数化模型见图4。车身横向复合材料梁系与车外壳连接结构的几何模型由横向复合材料梁的连接宽度（p0）控制。
车身纵向梁系的参数化模型见图5。车身纵向复合材料梁与车体外壳的连接结构几何模型由纵向复合材料梁截面的宽度（p11、p12、p16、p17、p27、p38）控制。
车头纵向梁系的参数化模型见图6。车头纵向复合材料梁系与车体外壳的连接结构几何模型由车身控制曲线参数（p182、p183）控制。
车头横向梁系的参数化模型见图7。
车头横向复合材料梁系与车体外壳的连接结构几何模型由车头控制曲线连接宽度（p164、p165、p166、p169、p174、p175）控制。
车身横向与纵向梁系的参数化模型见图8。车
身横向与纵向复合材料梁系的连接结构几何模型由横向复合材料梁开孔曲线控制，即由纵向梁截面几何参数控制。
车头横向与纵向梁系连接结构参数化模型见图9。车头横向与纵向复合材料梁系的连接结构几何模型由车身控制曲线参数（见图7a））控制。
车厢底盘与横向和纵向梁系连接结构的参数化
模型见图10。车厢底盘与车身横向复合材料梁系、车头横向复合材料梁系、车头纵向复合材料梁系的连接结构几何模型，由车身横向梁系、车头横向梁系、车头纵向梁系的连接曲面控制。
车厢底盘与车体外壳连接结构的参数化模型见图11。
车厢底盘与车体外壳连接结构的几何模型由车身几何参数控制。
3 复合材料铺层设计
复合材料车体结构采用多种工程材料构成，主要包括高性能碳纤维、泡沫、铝合金和高性能玻璃等。将车体的结构部件赋予任意选择的工程材料，可实现材料选择的参数化和材料组合优化。复合材料的设计较复杂，主要难点是碳纤维铺层设计。铺层设计可以通过铺层方式、铺层数、铺层厚度和铺层角度等参数，实现多种碳纤维复合材料铺层设计的参数化。本文只列出经过大量数值模拟计算确定的满足磁悬浮列车设计要求的高性能碳纤维铺层设计方案。
车体外壳复合材料铺层设计采用20层高性能碳纤维复合材料，总厚度为5 mm，选择对称铺层[-45/0/45/90]s，单层可选用典型的商用高性能碳纤维材料预制品，如单向AS4/35016，AGP3705H/35016S等。[5]车体横向和纵向复合材料梁系的
铺层设计均采用16层高性能碳纤维复合材料，总厚度为4 mm，选择对称铺层[-45/0/45/90]s，单层同样选用典型的商用高性能碳纤维材料预制品。为节省篇幅，车体其他结构采用的工程材料不一一列举。
4 参数化车体有限元模型
在上述复合材料车体参数化结构几何模型和材料模型的基础上，建立车体参数化有限元模型。由车体结构几何模型驱动车体有限元模型，实现从车体结构几何模型到车体有限元模型的全过程参数化。对车体关键几何尺寸、复合材料铺层设计等影响结构性能的因素进行参数化模拟，可实现车体力学性能的数值模拟和优化，满足车体的多种设计要求。
车体有限元模型网格的基本控制尺寸为25 mm，建立精细的车体数值模型（自由度为千万数量级），获得较为满意的数值模拟结果。有限元建模采用装配有限元法AFM，结构部件的连接性能采用Gluing方法模拟。装配有限元法AFM可以实现结构部件有限元模型驱动整车车体有限元的参数化。车体结构部件有限元建模过程大量采用参数化过程，包括模拟单元类型的选取、网格划分方法和壳体网格质量控制的选择等。由于车体结构几何模型由曲面模型组装而成，使用壳单元CQUAD4进行曲面模型的有限元网格划分，同时赋予曲面模型相应的复合材料、铝合金材料或其他材料属性，采用AFM法生成车体有限元模型，使用Stitch Edge[5]连接同一个曲面模型中的曲面边与曲面。列车主要结构部件的有限元模型见图12，车体整体结构参数化有限元模型见图13。该车体数值模型可以较好地实现基于数值模拟的车体设计。
在车体结构参数化连接几何模型的基础上，建立各车体部件之间的Gluing连接。该Gluing模型可以模拟结构部件连接的力学性能，实现弹簧型和焊接型连接属性模拟。以车体横向复合材料梁系与壳体连接的Gluing模型为例，显示该模型的参数化过程。车体横向复合材梁系与车体外壳的Gluing连接见图14，车体主要结构部件间的Gluing模型见图15。
连接部分基于结构连接参数化几何模型，因此可实现Gluing模型的参数化过程;同时，Gluing模型的力学属性可以有多个选项，便于实现Gluing模型力学性能的参数化。 此外，車门车窗和非结构部件的质量、乘客质量加载等参数化过程也在参数化结构几何模型上完成。包括连接模型在内的参数化车体有限元模型，可以方便地完成各种数值模拟和优化，但模拟计算需要消耗大量计算资源。车体整体结构的参数化数值模型见图16。
5 结束语
全部使用曲面模型模拟结构部件，使用装配模型建立总体模型，因而可以方便地更改几何控制参数，实现车体几何形状的自动修改，完成相应横向和纵向梁截面形状及轴线形状的自动修改，为实现车体形状优化奠定基础。同时，在参数化几何模型基础上采用AFM建立有限元模型，可以方便地更改结构部件力学属性和连接属性，为实现参数化数值模拟打下基础。
上述方法实现的车体数字模型，可以最大程度地满足各种设计制造要求，是实现车体数字化设计制造的基础。
参考文献：
[1] MALLICK P K. Fiberreinforced engineering composites： materials manufacturing and design[M]. Florida： CRC Press 2007.
[2] GAY D. Composite materials design and applications[M]. Florida： CRC Press 2014.
[3] VALERY V MOROZOV E. Advanced mechanics of composite materials and structural elements[M]. Amsterdam： Elsevier 2013.
[4] LENGSFELD H WOLFFFABRIS F KRMER J et al. Composite technology： Prepregs and monolithic part fabrication technologies[M]. Munich： Hanser 2015.
[5] Siemens PLM Software user’s manual[Z]. Torrance 2018. https：//www.plm.automation.siemens.com/global/zhcn/index.html.
关键词：磁悬浮列车; 复合材料; 结构设计; 参数化; 有限元
中图分类号：U266.4;TB115.1
文献标志码：B
Numerical simulation on composite vehicle structure of maglev train （I）：
Parametric finite element model for train body design
WANG Renpeng1 ZHOU Yong1 CHENG Yumin2
（1. Tongji University Shanghai 200090 China; 2. Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics
Shanghai University Shanghai 200072 China）
Abstract：
To meet the structural design and lightweight requirements of high performance composite maglev train body the parametric design of composite maglev train composed of high performance carbon fiber material aluminum alloy and high performance glass material is carried out. Siemens NX is used to build parametric geometric model and finite element model of maglev train. The accurate numerical simulation of car body structure and connection structure is realized. It can lay a good foundation for the design of maglev train body based on numerical simulation technology.
Key words：
maglev train; composite; structure design; parameterization; finite element
0 引 言
使用先進复合材料制造列车车体，是磁悬浮列车轻量化技术的主要手段之一。[1]复合材料技术发展已经相当成熟，在航空航天和军工领域应用广泛。[23]采用数值模拟技术，先在计算机上实现大部分结构设计，再辅之以少量试验，就可达到结构设计和优化的目的。复合材料磁悬浮列车车体设计除涉及复杂的结构力学性能计算外，还需要满足其他技术要求，如车身气动优化、车体美学、振动控制与优化、乘坐舒适性等。磁悬浮列车车体由多种工程材料构成，包括高性能碳纤维复合材料、铝合金、泡沫材料、高性能工程玻璃和内饰材料等。因此，车体模型应该包含所有这些组成部分及其相互连接关系，并且可以灵活变化，以适应多种设计要求和限制。高度参数化的车体几何造型和精细有限元模型可满足上述诸多方面的要求。Siemens NX系统可提供建立高度参数化模型的环境。[4]本文使用Siemens NX系统建立满足磁悬浮列车车体设计的数字模型。
1 车体结构几何模型的参数化过程
在已有磁悬浮列车铝合金车体设计经验基础上，考虑复合材料制造工艺、复合材料部件及其连接方式、车门车窗与复合材料车体的连接方式，完成高性能碳纤维复合材料磁悬浮列车车体设计。根据复合材料车体与铝合金车厢底盘的连接方式，调整车厢底盘，方便复合材料车体与已有的走行部铝合金结构连接，保留车体底盘的主体结构，保证磁悬浮列车制造顺利实施。
车体参数化几何模型通过装配体模型实现，每个代表主要结构部件的Part模型由曲面模型构成，曲面模型由相应的sketch曲线驱动实现参数化。曲面模型可以进行精确的力学性能模拟，避免使用三维实体模型描述大量的结构部件，有效减少数值模型的规模，便于大量数值试验的快捷实现。模型的主要驱动参数曲线包括车身截面曲线、车头截面曲线和车窗车门曲线。几何参数驱动可以实现适应设计要求的车体几何模型，满足设计的各种要求和限制。[5]
车体由复合材料车体外壳、车身横向复合材料梁系、车身纵向复合材料梁系、车头横向复合材料梁系、车头纵向复合材料梁系、车厢底盘铝合金结构和车门车窗等结构部件构成。部分车体参数化几何模型见图1。
复合材料纵、横梁系形成车体的骨架结构，与车体外表的复合材料壳体共同形成车体受力体系。采用开口截面方式，纵、横方向的复合材料梁使用常见复合材料制造工艺批量生产，车体外壳结构需要较大模具加工完成。[4]
纵、横梁系与车体外壳结构的连接方式可以采用粘接、粘接辅以螺栓、螺栓3种方式。中低速磁悬浮列车的走行机构保留原有的金属结构，修改车厢底盘设计，以方便与复合材料车体结构安全连接。先初步确定复合材料车体结构与车厢底盘的连接形式，修改车厢底盘设计，车体主要连接部件见图2。
车体结构几何模型的参数化过程包括：梁系、车厢底盘和车门车窗几何形状由车体外壳几何形状驱动;车身壳体几何形状由车身截面曲线控制;车身截面曲线由若干基本几何参数控制[5]。车体参数化截面控制曲线见图3。 为适用各种设计变化要求，车体外壳几何外形由104个几何参数控制。车身横向复合材料梁的截面尺寸由24个几何参数控制，几何模型的扫掠路径由车身截面曲线控制，开口形状和尺寸由纵向复合材料梁系控制。车身纵向复合材料梁的截面尺寸由车身截面曲线和车身梁截面共23个几何参数共同控制，梁长度由车身长度参数控制。具体参数不一一列出。
车头纵向和横向复合材料梁系完全由曲面构成，其形状和尺寸控制较复杂。车头纵向梁系的曲面形状由车身曲面和梁系截面共6个几何参数共同控制。车头横向梁系的曲面形状由车身曲面和梁系截面共69个几何参数共同控制。车头梁系的截面由车身控制曲线即车窗外形控制;车头梁系的开孔由车头纵向复合材料梁系几何形状控制。
车厢底盘结构几何模型由车身曲面形状、车身和车头梁系与底盘连接的几何形状、底盘内部纵向板布置等25个几何参数共同控制。
车窗和承蒙结构几何模型比较简单，由车身曲面形狀和车身控制曲线控制。
2 车体连接结构几何模型的参数化
车体部件通过螺栓或粘接连接。为模拟部件之间连接结构的力学性能，并考虑满足多种设计和加工制造要求，在结构几何模型上建立连接结构几何模型。部件的连接结构力学模型通过连接结构的几何模型实现。
车身横向梁系的参数化模型见图4。车身横向复合材料梁系与车外壳连接结构的几何模型由横向复合材料梁的连接宽度（p0）控制。
车身纵向梁系的参数化模型见图5。车身纵向复合材料梁与车体外壳的连接结构几何模型由纵向复合材料梁截面的宽度（p11、p12、p16、p17、p27、p38）控制。
车头纵向梁系的参数化模型见图6。车头纵向复合材料梁系与车体外壳的连接结构几何模型由车身控制曲线参数（p182、p183）控制。
车头横向梁系的参数化模型见图7。
车头横向复合材料梁系与车体外壳的连接结构几何模型由车头控制曲线连接宽度（p164、p165、p166、p169、p174、p175）控制。
车身横向与纵向梁系的参数化模型见图8。车
身横向与纵向复合材料梁系的连接结构几何模型由横向复合材料梁开孔曲线控制，即由纵向梁截面几何参数控制。
车头横向与纵向梁系连接结构参数化模型见图9。车头横向与纵向复合材料梁系的连接结构几何模型由车身控制曲线参数（见图7a））控制。
车厢底盘与横向和纵向梁系连接结构的参数化
模型见图10。车厢底盘与车身横向复合材料梁系、车头横向复合材料梁系、车头纵向复合材料梁系的连接结构几何模型，由车身横向梁系、车头横向梁系、车头纵向梁系的连接曲面控制。
车厢底盘与车体外壳连接结构的参数化模型见图11。
车厢底盘与车体外壳连接结构的几何模型由车身几何参数控制。
3 复合材料铺层设计
复合材料车体结构采用多种工程材料构成，主要包括高性能碳纤维、泡沫、铝合金和高性能玻璃等。将车体的结构部件赋予任意选择的工程材料，可实现材料选择的参数化和材料组合优化。复合材料的设计较复杂，主要难点是碳纤维铺层设计。铺层设计可以通过铺层方式、铺层数、铺层厚度和铺层角度等参数，实现多种碳纤维复合材料铺层设计的参数化。本文只列出经过大量数值模拟计算确定的满足磁悬浮列车设计要求的高性能碳纤维铺层设计方案。
车体外壳复合材料铺层设计采用20层高性能碳纤维复合材料，总厚度为5 mm，选择对称铺层[-45/0/45/90]s，单层可选用典型的商用高性能碳纤维材料预制品，如单向AS4/35016，AGP3705H/35016S等。[5]车体横向和纵向复合材料梁系的
铺层设计均采用16层高性能碳纤维复合材料，总厚度为4 mm，选择对称铺层[-45/0/45/90]s，单层同样选用典型的商用高性能碳纤维材料预制品。为节省篇幅，车体其他结构采用的工程材料不一一列举。
4 参数化车体有限元模型
在上述复合材料车体参数化结构几何模型和材料模型的基础上，建立车体参数化有限元模型。由车体结构几何模型驱动车体有限元模型，实现从车体结构几何模型到车体有限元模型的全过程参数化。对车体关键几何尺寸、复合材料铺层设计等影响结构性能的因素进行参数化模拟，可实现车体力学性能的数值模拟和优化，满足车体的多种设计要求。
车体有限元模型网格的基本控制尺寸为25 mm，建立精细的车体数值模型（自由度为千万数量级），获得较为满意的数值模拟结果。有限元建模采用装配有限元法AFM，结构部件的连接性能采用Gluing方法模拟。装配有限元法AFM可以实现结构部件有限元模型驱动整车车体有限元的参数化。车体结构部件有限元建模过程大量采用参数化过程，包括模拟单元类型的选取、网格划分方法和壳体网格质量控制的选择等。由于车体结构几何模型由曲面模型组装而成，使用壳单元CQUAD4进行曲面模型的有限元网格划分，同时赋予曲面模型相应的复合材料、铝合金材料或其他材料属性，采用AFM法生成车体有限元模型，使用Stitch Edge[5]连接同一个曲面模型中的曲面边与曲面。列车主要结构部件的有限元模型见图12，车体整体结构参数化有限元模型见图13。该车体数值模型可以较好地实现基于数值模拟的车体设计。
在车体结构参数化连接几何模型的基础上，建立各车体部件之间的Gluing连接。该Gluing模型可以模拟结构部件连接的力学性能，实现弹簧型和焊接型连接属性模拟。以车体横向复合材料梁系与壳体连接的Gluing模型为例，显示该模型的参数化过程。车体横向复合材梁系与车体外壳的Gluing连接见图14，车体主要结构部件间的Gluing模型见图15。
连接部分基于结构连接参数化几何模型，因此可实现Gluing模型的参数化过程;同时，Gluing模型的力学属性可以有多个选项，便于实现Gluing模型力学性能的参数化。 此外，車门车窗和非结构部件的质量、乘客质量加载等参数化过程也在参数化结构几何模型上完成。包括连接模型在内的参数化车体有限元模型，可以方便地完成各种数值模拟和优化，但模拟计算需要消耗大量计算资源。车体整体结构的参数化数值模型见图16。
5 结束语
全部使用曲面模型模拟结构部件，使用装配模型建立总体模型，因而可以方便地更改几何控制参数，实现车体几何形状的自动修改，完成相应横向和纵向梁截面形状及轴线形状的自动修改，为实现车体形状优化奠定基础。同时，在参数化几何模型基础上采用AFM建立有限元模型，可以方便地更改结构部件力学属性和连接属性，为实现参数化数值模拟打下基础。
上述方法实现的车体数字模型，可以最大程度地满足各种设计制造要求，是实现车体数字化设计制造的基础。
参考文献：
[1] MALLICK P K. Fiberreinforced engineering composites： materials manufacturing and design[M]. Florida： CRC Press 2007.
[2] GAY D. Composite materials design and applications[M]. Florida： CRC Press 2014.
[3] VALERY V MOROZOV E. Advanced mechanics of composite materials and structural elements[M]. Amsterdam： Elsevier 2013.
[4] LENGSFELD H WOLFFFABRIS F KRMER J et al. Composite technology： Prepregs and monolithic part fabrication technologies[M]. Munich： Hanser 2015.
[5] Siemens PLM Software user’s manual[Z]. Torrance 2018. https：//www.plm.automation.siemens.com/global/zhcn/index.html.