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摘要：随着有限元法在铁道车辆厂技术部门应用的深入，HyperMesh作为强有力的CAE前处理工具发挥着越来越大的作用。本文利用HyperMesh对铁道车辆中使用较广的25型客车进行有限元建模，主要包括底架、侧墙、端墙和车顶等4个部分以及车体附件的模拟，提供分析基础。
1 有限元分析介绍
有限元分析FEA(Finite Element Analysis)，源于结构分析，从结构力学中的位移法发展而来，其基本思想为“先分后合”。先将连续的求解域离散为有限的单元，使其只在节点上相互关联；然后选择较简单的函数近似表达单元的物理量，如单元的位移或应力，并根据求解问题所描述的基本方程建立单元节点的平衡方程组；再把全部单元的方程组集成为具有整个结构力学特性的整体方程组；最后通过引入边界条件求解总体方程组而获得数值解，如结构的位移分布和应力分布等。有限元法的主要优点是物理概念清晰，应用范围广，可对许多复杂的工况和边界条件加以考虑。
2 CAE前处理软件-HyperMesh介绍
当前在我国工程界广泛使用的大型商用有限元分析软件有很多种。这些CAE软件均由前处理、分析求解和后处理三个部分组成。其中求解部分主要依靠计算机来完成，并且各大商用有限元分析软件都经过标准算例的对标，在分析一般性工程问题方面均能保证较好的精度。而前处理和后处理部分均需要工程人员较多的参与，尤其是前处理部分是工作强度很大。本文的分析和优化工作依托于美国澳汰尔（Altair）工程软件公司推出的HyperWorks平台中的前处理软件HyperMesh。
HyperMesh具有速度快、灵活性和用户化功能强的特点，是一个高效的有限元前处理器，能够快速建立复杂的有限元模型，并与主流的CAD和CAE软件有良好的接口，几何处理和网格划分功能很强大。其支持CATIA、UG、PRO-E等主流CAD软件的几何格式导入及国际通用的IGES格式输出；并支持多种主流求解器的输入格式。
HyperMesh提供了全面的网格检查功能，以保证较高的网格质量并较好的模拟几何形状；HyperMesh提供了多种修改网格的工具，可以改变单元密度、单元偏置梯度、网格划分算法等。HyperMesh菜单逻辑性强，易于学习。本文主要使用HyperMesh的网格生成及编辑功能。
3 车体详细模型
为保证模拟精度，本文参考25型客车的图纸建立完整的车体钢结构模型用于有限元分析。该车钢结构由若干结构焊接而成，车体设计的最高运行速度是120km/h。本文直接利用HyperMesh建立车体钢结构有限元模型。由于该车属于特种车辆，在槽钢的选择上与一般车辆略有不同，以达到适当加固的效果。
3.1 车体钢结构模型
3.1.1 25型客车介绍
我国从1963年开始自主研制铁道车辆，先后推出了21型车，22型车，25型车以及CRH系列动车组等。铁道部于1993年将25型车定性为主型客车，因此该种车辆在铁道客运占有重要地位。25型车不断改型升级，有25A，25B，25D，25G，25K，25S，25Z和25T等型号。本文所研究车辆为25B型特种餐车。
25型客车车体钢结构，由底架、侧墙、端墙和车顶等四部分焊接而成。在侧墙、端墙、车顶钢骨架外焊有侧墙板、端墙板、车顶板，在底架钢骨架上焊有纵向波纹地板和平地板，形成一个上部圆弧，下部矩形的封闭壳体，称为无中梁薄壁筒形车体结构。其中钢骨架上的纵向梁、横向梁和加强柱，共同形成整体承载的合理钢骨架结构[1]。
本车钢结构采用耐火钢，本文统一材料参数：弹性模量：E=2.1x10^5MPa；泊松比：Nu=0.3；密度：7.8x10-9 t/。
3.1.2车体钢结构中平板及波纹地板
车体主要由冷轧钢板和各种梁焊接而成，主要钢板厚度如表1。 （图片） 中华人民共和国铁道行业标准《TB/T 2706.5-1996铁道客车冷弯型钢系列之五波纹地板》中，推荐使用两种波纹地板型号A和B，具体尺寸将下图1。（图片） 本文对波纹地板进行简化，在HyperMesh中建立了波纹地板模型，其界面如图2所示。（图片） 3.1.3车体钢结构中梁结构
车体主要梁结构如表2，由于篇幅问题，这里只是列出主要部件的尺寸。表2 车体梁结构主要参数
（图片）注：符号含义如下:
1.C字形槽钢，记为C a/b/c/d。其中a，b，c表示三边长度，d表示厚度；
2.L字形槽钢，记为L a/b/c。其中a，b为两边长度，c表示厚度；
3.Hat字形槽梁，记为Hat a/b/c/d。其中a，b，c表示三边长度，d表示厚度；
本文利用壳单元来模拟底架上横梁，而侧墙、端墙和车顶上的梁截面如图3~5所示。（图片） 3.1.4 车体钢结构模型
利用HyperMesh软件，根据二维图纸建立较详细的车体钢结构模型。模型的具体参数：单元尺寸50mm；单元130184个；节点115467个。单元类型选用壳单元和梁单元，其中梁截面利用HyperBeam创建。车体钢结构实际重量13t，有限元车体模型12t，能较好的模拟钢结构重量。见图6。（图片） 25型客车底架由牵引梁、枕梁缓冲梁、下侧梁、枕梁间的纵向金属波纹地板及枕外金属平地板等组成[1] ，如下图7~8。（图片） 25型客车侧墙外表面为无压肋平板，板内侧焊有垂直立柱和水平纵向梁，形成板梁式平面承载侧墙结构[1] ，如下图9。（图片） 25型客车车体钢结构的两外端，通常称为外端墙[1]，如下图10。（图片） 客车车顶钢骨架由上边梁、车顶纵向梁、车顶弯梁、空调机组安装座平台、水箱盖等组成。在钢骨架外边焊有车顶板，共同组成车顶钢结构[1]，如下图11。（图片） 3.2 车底主要附件模拟
建立车体钢结构后，还应对车体主要附件进行模拟。由于车体附件种类繁多，对车体进行模态分析时，以钢结构为主，并考虑主要附件如空调、柴油发电机组等。一般采取以下三种方法模拟附件[2]：
1.通过增加板厚，使钢板增加的重量等于附件重量。
2.通过在对应连接处的节点上添加质量单元(均分)。
3.通过修改材料密度，将全部附件质量均分到整车结构，不考虑刚度贡献。
4.通过在附件重心处建立质量点，然后利用RBE3/Rigid单元将该质量点连接到附件固定处。
这四种方法都可以对附件进行初步模拟。但车体上还存在着大量无法准确模拟的部件：车体内墙板、木梁、空调风道、制动管道、行李架、座椅、车内间壁、厕所、地板防寒材等。这些部件对车体整备的刚度和重量均有所贡献，但无法详细模拟。本文主要分析车体地板振动，故需对车体底部配件进行质量和刚度模拟，如柴油发电机组、燃油箱、启动电池组等，具体参数见表3。表3 车体底架重要附件
（图片）根据车底附件与车体连接的特点，本文选用第四种方法模拟车体底架附件，如图12~13。其中选用了连接单元Rigid分别建立模型，依据模态分析结构确定能合理模拟柴油发电机组与车体连接的模型。
附件对车体模态有两种影响[2]：一种是附件质量刚度较集中，如柴油发电机组、空调、蓄电池等，提高车体局部刚度，但对整体模态影响不大，本文属于该种情况；另一种是附件质量刚度较分散，如木结构、内墙板、防寒材、风道等，对整体刚度影响较大。
本文主要分析柴油发电机组对车体地板结构振动的影响，所以重点模拟柴油发电机组附件（启动电池、柴油发电机组、燃油箱等），而忽略车体其他附件。（图片） 3.3 模型的检查及修改
3.3.1 网格质量检查及修改
当模型网格质量太差时，甚至无法求解，因此需要检查网格质量。HyperMesh可以利用Check面板（快捷键F10）对1D单元、2D单元和3D单元进行质量检验，并找出质量较差单元。2D单元需要检查的关键项如下：
1.翘曲 (Warpage)表示单元变形量，当边缘没有变形时其值为0。四边形翘曲角即沿对角线计算两个三角形所成角的最大角，很明显三角形无翘曲，见图14。（图片） 2.雅阁比(Jacobian)表示单元偏离正多边形的程度，理想值是1。推荐模型中雅阁比的最小值大于0.5。
3.宽长比(Aspect Ratio)为单元最长边与最短边的比值。宽长比的理想值为1。推荐模型中宽长比的最大值小于20。
利用单元检查功能找出质量不合格的单元。一般较多单元质量不合格时，很可能在某处集中出现，很容易修改。单元质量不合格时，可通过节点替换(快捷键F3)、删除单元（快捷键F2）、创建或劈分单元（Edit element）等操作进行处理。经过质量检查及网格修改，本模型网格质量达到要求，具体见表4。（图片） 3.3.2 网格连接性检查及修改
由有限元原理可知，在组装矩阵求解过程中，各单元之间通过节点相关联。如果在焊接处或平板内没能处理好节点的连接，就无法准确反映物理结构，如图15所示。（图片） 该车体模型单元数量较多，节点替换（快捷键F3）工作量太大，需利用HyperMesh提供的Edge工具在单元自由边处生成红色的Plot单元，可高效的完成网格连接性检查及修改功能，如图16。（图片） 4 小结
本章利用HyperMesh建立了车体详细模型。首先，建立了车体刚结构模型，并对其网格质量和连接性进行了检查。主要利用壳单元和梁单元来模拟无中梁薄壁筒形车体结构，利用HyperBeam可以对梁截面的形状和尺寸进行快速设置。然后，模拟车体地板下吊的柴油发电机组，建立质量单元模拟其质量，并利用连接单元（Rigid）模拟其刚度。建立详细的25型客车有限元模型作为分析的基础。
5 参考文献
[1] 严隽耄，傅茂海.《车辆工程》.第三版.北京：铁道科学出版社，2009
[2] 郝鲁波．客车模态计算与试验研究：[硕士学位论文]．大连：大连理工大学，2005
[3] Hypermesh User Handbook
10/15/2013
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