ANSYS的二次开发在高速列车车窗改动设计中的应用

黎忠雪，杨　杰，王成雨，彭晓博

(西南交通大学 力学与工程学院，成都　613000)



ANSYS的二次开发在高速列车车窗改动设计中的应用

黎忠雪，杨杰，王成雨，彭晓博

(西南交通大学 力学与工程学院，成都613000)

摘要：高速列车有限元模型构造复杂，通过手动操作对高速列车有限元模型的车窗进行改动，工作量非常大。基于ANSYS二次开发语言，研发了高速列车有限元模型车窗改动的专用模块。采用UIDL开发界面，应用APDL语言编写命令流，实现了通过输入不同参数值来改动车窗的有限元模型，然后利用ANSYS软件分析车窗改动对车体振动性能的影响。结果表明：ANSYS二次开发语言可用于车窗的改动，对实际工程中的有限元模型改动具有一定的指导意义，提高了科研和设计的工作效率。

关键词：高速列车车窗；ANSYS; 二次开发；振动性能

铁路是国家的重要基础设施,是国家的大动脉,是轨道交通中历史最悠久、使用最普遍的交通方式之一。铁路运输在各种运输方式中具有明显优势，在经济社会发展中具有重要的地位和作用[1]。随着我国高速列车技术研究的不断发展，对高速列车有限元模型的结构设计要求越来越高，高速列车的振动特性直接影响旅客乘坐的舒适性和列车运行的安全性[2]。车窗作为车体结构的重要组成部分，其振动也会间接传递给乘客，影响乘客的乘坐舒适性。车体是一个复杂的系统，组成车体有限元模型的单元以及节点有几十万个。在工程实际应用中，假如给定高速列车车体的有限元模型，出于工程需要，要求对建立好的车体模型的车窗进行修改，重新建立车体的有限元模型则工作量非常大，既耗费人力又耗费物力，而且国内外有关车窗对车体振动性能影响的研究以及如何建立、修改已有有限元车体模型的一体化程序的研究很少，在一些期刊网站如CNKI、万方数据等没有查到关于列车车体窗口对车体振动性能影响的相关文献。我国的一线生产商唐山轨道客车股份有限公司也提出过相应的问题，至今未得到有效的解决措施。本文把已有的高速列车有限元模型做了进一步扩展，对高速列车的车窗改动进行了尝试，建立了有关的设计理论和方法，开发了相应的设计程序，对列车有限元模型进行了修改，然后根据有限元软件对修改后的高速列车模型的振动情况进行分析，初步验证通过调用相应的程序进行车窗改动研究的思路是可行的。

1主菜单与对话框的编制

1.1车窗改动主菜单的设计

菜单是程序界面的重要组成部分,菜单设计是通过编制UIDL(user interface design language)语言程序来完成的，而ANSYS中主菜单的编制借助控制文件UIMENU.GRN来建立。控制文件由控制文件头和一系列的结构块组成，控制文件头的部分结构如下[3-4]:

:N Menuroot

:S 529，76,446

:T Menu

….

:E END

:!

此主菜单只增加了一部分的菜单名，用户可以根据自己的需求适当地增加菜单名称。然后在连续的“:!”和“:N”之间添加所需的结构模块：

:N Men_selside

:S125,80,38

:T Menu

:A which side

:D analysis change

….

在UIMENU.GRN文件中加入所需的语句后，运行ANSYS软件，会在ANSYS界面中显示要添加的菜单，如图1所示。本例中只列举generaele菜单，图中显示的generaele菜单正是新添加的菜单。

图1菜单界面

1.2车窗改动对话框的设计

对话框适用于用户输入的不同类型数据,对话框设计是通过功能块完成的。ANSYS的标准对话框和拾取对话框是通过控制文件UI-FUNC1.GRN和UI-FUNC2.GRN 文件来编写的。选取其中的一个控制文件，修改ANSYS安装目录下UI-FUNC1.GRN或UI-FUNC2.GRN文件，在任意的“:!”和“:N”之间添加以下的文字

:N Fnc_selside

:S 389,131,251

:T Cmd

:A selside

:D Please Input the parameter Informations

….

:!

运行ANSYS程序可生成几何参数对话框，只选其中一个对话框示例，如图2所示。

图2几何参数对话框

2车窗改动命令流的编制

APDL(ANSYS parametric design language)是一种为ANSYS二次开发专门设计开发的解释性文本语言,因为其有循环、分支、宏等结构,还可以使用参数、数组、标量等,用户可以利用APDL将ANSYS命令组织起来,编写出参数化的用户程序,可以减少用户的建模时间，可以改动参数来局部修改已建立好的模型。在高速列车的有限元模型中,可以根据已有的有限元模型，编写车体有限元模型车窗改动的APDL语言程序[5]，再把编好的命令写入宏文件中。若改动APDL中的特定程序的某些数据参数，窗口尺寸会随之变化。在控制ANSYS界面的UI-FUNC2.GRN文件中调用宏文件进行运算。在此过程中减少了大量的实际手动操作，缩短了时间历程。

3高速列车车窗改动二次开发过程及其对车体振动特性影响

3.1车体的有限元模型

车体有限元模型采用壳单元划分[6]，ANSYS单元类型Shell63，共计划单元945 755个，节点814 280个，图3为车体有限元网格。在ANSYS中进行模态分析得到了原始参数下车体菱形、垂弯、扭转和横弯变形的固有频率见表1。

图3　有限元模型

3.2车体车窗改动的参数化建模及可视化过程

在已有的车体有限元模型的基础上，选取车体的一个车窗为研究对象，先研究车窗外围板单元，再研究内部的波纹板。选定一组节点为基本参考标准，复制这组节点到所需的位置，然后通过节点生成单元法来生成新单元。然后把编好的宏文件调入UIDL语言中即可实现可视化过程，部分程序如下：

esel,u,real,,14

nsle,s,0

nsel,r,loc,x,zu(u,1)

nsel,r,loc,y,zu(u,3),zu(u,4)

*set,s,309252

*do,i,1,w/f,1

ngen,2,i*s,all,,,i*f,0,0,1

*enddo

real,8

*do,i,1,waez-1,1

*do,j,1,w/f,1

e,wdez(i)+(j-1)*s,wdez(i+1)+(j-1)*s,wdez(i+1)+j*s,wdez(i)+j*s

*enddo

*enddo

由以上可得：仅通过改动可视化参数对话框中的各种参数就能实现对车窗尺寸改动的车体进行重新建模的功能，其他的车窗采用相同的建模原理，整个车体模型的车窗改动即可完成。在工程应用中，假如对已建好的有限元模型稍作变动，就可利用上述原理进行修改及微调，省去了繁琐的建模过程，大大缩短了工程人员的时间，提高了工作效率。

3.3车窗改动对车体频率及振型的影响

针对车窗X方向尺寸减小以及列车车窗的设计标准，设计了8个工况，具体的计算工况见表2。

表2　计算工况

其中：c代表计算工况；w为车窗X方向尺寸的减小值,w=0时是车体有限元模型在原始参数下的工况。

在ANSYS中对以上各个工况的车体有限元模型进行模态分析[7]，分别得到车窗X方向尺寸减小对车体菱形变形，一阶垂弯变形，一阶扭转变形和一阶横弯变形的固有频率的影响[8]，如图 4 所示。

图4　各种工况下的频率

从图4中可以看出：随着车窗X方向尺寸的减小，车体菱形变形的固有频率呈现逐渐增加的趋势，车体一阶垂弯变形的固有频率和车体一阶扭转变形的固有频率都呈现逐渐增加的趋势，车体一阶横弯变形的固有频率呈现逐渐增加后趋于平稳的趋势。根据力学原理，随着车窗X方向尺寸的减小，车体的刚度有所增加，固有频率随之增加，理论与数值计算情况吻合。

针对以上设计工况，对车体有限元模型进行谐响应分析，研究车体有限元模型在何种频率下达到Y向振幅的最大值，不同工况对应的情况如图5所示。

从图5可以看出：在以上工况中，车体有限元模型在频率达到18 Hz的外激励作用下，车体的Y向振幅最大。此过程对验证车体能否克服共振以及预防受迫振动有一定的参考价值。

图5　各种工况下的振幅

4结论

针对高速列车车体有限元模型的复杂性,以某型高速列车有限元模型为例，选定车窗结构为研究对象，对车窗尺寸进行改动。有限元模型改造完成后，进行模态分析以及谐响应分析，得到以下结论：

1) APDL语言和UIDL语言的结合使用，可使车窗改动的参数化建模过程可视化。在参数化分析过程中可以简单修改其中的参数，达到反复分析各种尺寸的多种设计方案或者序列性产品，极大地提高了分析效率，减少分析成本。

2) 车窗尺寸的改动对车体菱形、垂弯和扭转变形的固有频率的影响类似。随着车窗X方向尺寸的减小，高速列车车体的菱形、垂弯、扭转变形的固有频率呈现逐渐增加的趋势。

3) 随着车窗X方向尺寸的减小，车窗尺寸的改动对车体横弯变形的固有频率的影响程度起初很大，而在其他工况中均增加或逐渐趋于平稳。

4) 在以上几种设计工况中，车窗改动的车体有限元模型在频率为18 Hz时，车体Y向振幅最大。

参考文献：

[1]商跃进.动车组车辆构造与设计[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[2]LAURIKS G.铁道车辆的舒适度评价[J].国外铁道车辆,2004(1)：24-25.

[3]张朋,王丽娟.基于UIDL和Tcl/Tk的ANSYS图形用户界面二次开发[J].兰州交通大学学报,2013，32(3)：82-83.

[4]张建业,杨甫勒,钱继锋.基于APDL和UIDL的ANSYS二次开发技术及其应用[J].中国制造业信息化,2006，35(23)：80-81.

[5]龚曙光,谢桂兰,黄云清.ANSYS 参数化编程与命令手册[M].北京:机械工业出版社,2003.

[6]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社，2007.

[7]尤春.高速列车车体地板振动特性的研究[D].沈阳:东北大学,2011.

[8]干宇文，张立民.高速列车承载结构对车体模态频率的影响[J].设计与应用，2013,11(40)：26-28.

(责任编辑杨文青)

Window Change of High Speed Train Based on Redevelopment of ANSYS

LI Zhong-xue，YANG Jie，WANG Cheng-yu，PENG Xiao-bo

(School of Mechanics and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 613000, China)

Abstract:It is constituted compliantly for the finite element model of the high speed train. If we make a slight change on the window of its model，it will cost a quantity of time to rebuild model of the high speed train. Based on ANSYS’s redevelopment language, the special module on the window change of the high speed train was made. The interfaces were made by using UIDL and the parameter commands were programmed by APDL to change the size of window，which resulted in a slight modify of the high speed train by inputting different parameters. Then that we made use of ANSYS analyses vibration characteristics of the high speed train which was influenced by the window change. The results suggested that the window changed based on ANSYS’s redevelopment language was reliable, which has significance to the finite element model modify in the practical project and makes improvement in efficiency of scientific research as well as the design.

Key words:the window of the high speed train; ANSYS; redevelopment language; vibration characteristic

收稿日期：2015-12-12

基金项目：横向基金“高速动车组车体模态匹配设计及其对动力学性能的影响”(2013-234)

作者简介：黎忠雪(1985—)，男，黑龙江人，硕士，主要从事工程力学研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.005

中图分类号：U260.11

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)06-0026-06

引用格式：黎忠雪，杨杰，王成雨，等.ANSYS的二次开发在高速列车车窗改动设计中的应用[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(6):26-31.

Citation format：LI Zhong-xue，YANG Jie，WANG Cheng-yu，et al.Window Change of High Speed Train Based on Redevelopment of ANSYS[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):26-31.