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1 前言
仿真技术的飞速发展，为产品在产前进行风险技术性评估，保证设计质量、提高产品设计水平提供了广阔的舞台。而有限元分析已经成为机械类产品仿真分析的关键手段。通过应用有限元分析，在生产制造前的设计阶段，运用现代技术充分反映设计结构特点，利用计算机通过工程分析软件快速有效地模拟、揭示产品在各种工况下的状态，可以使设计者及时进行结构优化，提高产品安全性和结构合理性，从而达到先天保证产品质量、降低制造成本及后续维护成本的目的，为企业带来更大的效益。在我公司的产品中，针对不同路况下运行的各种轨道客车车体结构，有限元以主要受力结构部件的模拟分析为要点，通过分析，改进、优化设计结构，使设计结构更趋于合理化，达到产品的力学性能要求。
在有限元分析工程中，有限元建模是其关键，它为有限元计算提供所有必需的原始数据。我公司通常采用有限元前处理软件HyperMesh来创建有限元模型。
HyperMesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包。在CAE领域中，HyperMesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理功能和后处理功能。
我们的分析就以某出口南亚的客车为例，应用SolidWorks三维建模软件建立其几何模型，利用HyperMesh软件创建车体的有限元模型，分析该客车标准中所规定的载荷工况下的强度，并为结构优化提供了理论依据。
2 铁路客车静强度仿真分析简要过程
2.1 几何模型的创建
根据设计师提供的图纸，对所要计算的车体几何模型进行分析简化，忽略对整体力学性能影响较小的几何细节，以提高整个划分网格的速度和质量，减少计算误差，掌握该车型所要满足强度标准的要求，绘制出适合创建有限元模型的几何模型。 （图片）
图1 铁路客车三维几何模型 2.2 有限元模型的创建
2.2.1 HyperMesh软件建模流程见图2。（图片）
图2 HyperMesh建模流程 2.2.2 在创建有限元模型时，需注意以下几点：
1）如导入的CAD模型为较薄的板筋件，则应抽取中面；如在几何模型中出现错位、重面、缝隙及对力学性能影响较小的几何细节，应进行几何处理，以提高网格质量。
2）有限元网格在划分时，应根据分析的目的并结合模型的特点，选择合适的单元类型和合适的网格大小，划分网格。整车模型根据其结构特点，我们多采用板壳单元shell181，但在底架上如有复杂结构并且对受力其极重要的零部件，我们则采用实体单元solid185。
3）单元质量对有限元计算结果有较大影响。在有限元网格划分时，检查并控制单元的质量参数显得尤为重要。网格检查内容一般为是否有重复的节点、重复的或缺少的单元，以及高度畸变或翘曲的单元，单元尺寸应尽量均匀，要避免特别小的单元。特别在对力学性能影响较大、关键考核的部位，单元质量必须严格符合要求。
4）施加载荷和边界条件是有限元模型的精华，这一步需要的是经验和根据经验做出某种简化或者取舍。 （图片）
图3 铁路客车的有限元模型 （图片）
图4 铁路客车有限元模型局部放大 2.2.3 有限元模型
这有限元模型就是根据设计结构应用HyperMesh创建出来的虚拟产品（见图3、4所示）。可以通过这个模型，模拟标准中规定的各种工况条件下产品结构受力状况。 （图片）
图5 原结构的应力云图 2.3 计算结果对比
在计算过程中，需不断改进车体结构，以保证钢结构满足UIC566标准的要求。经过对设计结构的改进，在同种工况下， 钢结构的最大应力由原来的597.837MP，降低为353.232MP，结构更加趋于合理化，而静强度的计算结果为结构的改进设计提供了最基本的理论依据。其应力云图见图5、6所示。 （图片）
图6 改进后结构的应力云图 3 结论
实际上，在国际先进企业中，尤其是在同行中，仿真分析已经得到了非常广泛的应用。同时客车产品创新为 CAE 发展提供了强大的动力，而HyperMesh所具有的强大的前处理功能，非常适合铁路客车及零部件的有限元模型的创建，它不但能够生成质量好的网格，同时也大大提高工作效率。我相信，HyperMesh软件将会在铁路客车有限元分析行业中有一个更为辉煌灿烂的明天。
7/15/2009
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