基于ANSYS的高速列车塞拉门可靠性研究

石拓,张久福,王群

(长安大学工程机械学院，陕西西安　710064)



基于ANSYS的高速列车塞拉门可靠性研究

石拓,张久福,王群

(长安大学工程机械学院，陕西西安710064)

以高速列车塞拉门为研究对象，研究塞拉门的结构特点和力学特性并对塞拉门进行静态分析。基于空气动力学理论，对列车塞拉门进行在不同工况下的对比分析，验证了所建立模型的合理性，并着重研究了列车在隧道中高速行驶的情况下空气对列车塞拉门可靠性的影响。可以为高速列车塞拉门的设计提供理论依据。

高速列车塞拉门;可靠性;空气动力学

塞拉门作为乘客与车体的必经通道，其安全性是保证乘客安全的首要且最基本条件。伴随着我国高速铁路事业的快速发展，其安全性更是衡量轨道车辆安全性的重要指标[1-2]。高速列车的运行环境非常复杂，其行驶时特别是高速行驶过程中车体受到各种因素的影响，因此对车辆塞拉门提出了更高的可靠性和密封性要求。设计制造可靠性高、体积小、密封性好的塞拉门系统对高速列车的发展至关重要。

1　塞拉门强度试验

一般来说，高速列车有正常行驶和会车两种情况,因此塞拉门结构需要承担2 500 N/m2加上1 000 N集中载荷以及+/-6 000 N/m2加上1 000 N的集中负载。

1)通过6个气缸垂直地压在3块均匀分布在门扇上的刚性木板(宽度200 mm、长度850 mm)上模拟2 500 N/m2(6 000 N/m2)的压力负载，见图1的F1～F6。木板的定位方法应能满足负载也施加在窗体上。

2)通过另一个气缸将一块100 mm×100 mm的板压在门扇上实现另外的1 000 N的垂直压力。测试的实际组成允许集中压力仅仅加载到门扇的几个区域之上。选择了最不利的位置并将力施加到窗体上，见图1的F7。

3)施加的负载由安装在气缸和木板之间的负载传感器监控门扇的运动，通过10个测量点探测变形。检测过程分别记录加载之前各传感器的数值、加载之后各传感器的数值及卸载之后各传感器的数值。测量从外部进行。通过使用沿门系统安装固定的棒体测量门与棒体之间的距离。

4)塞拉门的宽度为1 100 mm，高度为2 350 mm,则所需的负载对应的合力F=6 462.5 N(15 510 N)，每一个气缸的压力为1 077 N(2 585 N)，作用在窗体上的合力为1 000 N 。

2　塞拉门系统的静载荷性能分析

2.1塞拉门模型的边界条件及载荷条件

由于塞拉门结构比较复杂，选用的单元为实体Solid95单元。Solid95单元是3-D 8节点实体单元Solid45的高阶单元，能适应不规则的几何形状同时不降低计算精度。考虑到塞拉门结构的零部件较多，不能完全粘合在一起，因此采用耦合技术。通过节点与单元之间生成的约束方程实现零部件之间的联接，结果表明两零部件的衔接处位移是完全连续的，虽然应力会产生微小的跃变，但并不影响整个系统的应力分布[3]。为了验证有限元模型的正确性，必须首先对塞拉门系统结构进行静态分析，然后与试验结果进行对比。找出理论与试验的误差，进而对有限元模型进行必要的修正[4-6]。

在侧架与车体连接的地方施加全自由度约束。在门板的内侧与空气接触的表面施加6 000 Pa的压力，方向垂直门板向外，施加时需要注意与面的法线方向一致，否则要进行调整，在中空玻璃相应位置施加1 000 N的集中载荷。

2.2静载荷仿真分析及和试验结果的对比分析

通过对塞拉门系统进行静态分析，设定分析类型为静态，采用默认求解器。求解结束后查看结果，并与采集的数据进行对比分析。最大位移发生在中空玻璃的正中央，为5.61 mm，这是因为玻璃中央受力较大的缘故(1 000 N集中力加6 000 Pa压强)。由于在前档相应位置固定了5个点，因此前档几乎没有变形。后档与主(辅助)锁锁头采用了刚性连接，因此也没有太大的变形。同时可以看到，驱动机构和整个侧架刚性相当好，几乎没有变形。表1是仿真计算得到的位移和试验采集的数据的对比。

表1　理论与试验位移数据对比　单位：mm

理论计算与试验测量的数据总体分布趋势一致，但两者之间存在一定的差异。这种差异主要是门板与车体的连接除了上部与携门架采用的是刚性连接外，其余各点采用的是摩擦连接。中间的主锁与锁扣的连接虽然采用的是弯钩搭接形式，但加载之前存在一定的间隙，并没有紧密接触。因此整个门板存在一定量的整体刚体位移，估计约为1 mm。

通过对塞拉门系统的静态计算，对比分析理论值与试验值，证明有限元模型的正确性，因此可以对门系统的空气动力学性能进行分析。

3　列车穿越隧道时塞拉门系统的空气动力学性能分析

图2　车体及隧道有限元模型

在ANSYS中建立列车和隧道空气动力学模型并设置边界条件进行分析，如图2所示。

通过计算分别得到列车车速为300、350和400 km/h穿越隧道时的车门外部压力分布，如图3所示，由于设定初始条件时定义了参考压强为101 kPa，所以图3中压力即为车门内外的压差(图中单位为Pa)。

由图3可以看到，当高速列车以300、350和400 km/h的速度正常穿越隧道时，压力分布分别为-1 082.36～-537.23、-1 486.35～-742.375和-1 955.89～-982.01 Pa，不同速度工况下压力分布趋势几乎一样，都为负压，即门板承受由车内向车外方向的压力作用。整个门板的上部压力较大，梯度也较大，下部压力较小，梯度也较小[7]。

a) 300 km/h　　　　　　　　　　　　b) 350 km/h　　　　　　　　　　　　　c) 400 km/h图3　塞拉门外部压力分布图

4　流固耦合模型的建立及求解

考虑到门板的刚度较大，其变形量不足以影响流体的流动状态，在耦合过程中可以忽略流体变形，即在流体分析时把门板当成刚体，设置成壁面边界条件Wall。通过上述流体分析提取车门表面压力，然后施加到塞拉门结构模型中。塞拉门外部耦合压力效果图如图4所示[8]。

由于列车以400 km/h速度穿越隧道时工况最为恶劣，所以仅分析此工况下的应力结果。经分析，塞拉门在400 km/h工况下，最大位移位于中空玻璃的正中间(1 000 N集中力与耦合压力一起作用)，为2.222 mm。表2为各测点位移[9-11]。

图4　塞拉门外部耦合压力效果图

表2测点位移分布单位：mm

测点序号位移10.10320.33030.32440.25850.111测点序号位移60.09170.28980.38190.240100.104

由表2位移分布图可以看到，当对整个蒙皮施加6 000 Pa的平均压强时，相比其它各测点，测点8位移比较大。而对整个蒙皮施加耦合压力时，测点8并没有这个特征。总体而言，施加耦合压力时，整个塞拉门系统的位移分布是比较平顺的。

实际上，安装在列车上的塞拉门并不是与车体表面完全平齐。因此，为了对比这些区别，对车门系统取如下3种模型：1)完全齐平；2)车门向内凹进30 mm;3)车门向外凸出30 mm，工况为最不利工况,即列车在隧道中以400 km/h正常行驶,进行空气动力学对比分析。

速度为400 km/h时正常穿越隧道的塞拉门外部压力分布图如图5所示(图中单位为Pa)。结合图3c)，不同车门安装模型的空气动力学对比结果，如表3所示。

由表3可以看出，在列车以400 km/h的速度高速行驶时，模型1即车门与车体表面完全平齐时能极大的减小车门的承载压力。模型2和模型3的压力幅度变化都比较大，分别为4 941 Pa和3 469.5 Pa，而模型1仅为973 Pa，因此模型1的受力分布比较均匀。同时模型2车门受到了比较大的扭转，门板的前部受到向外的力，门板后部受到向内的力，受力严重不均衡，对门板的强度和刚度影响很大，所以在设计中要尽量避免。模型3虽然分布的都是负压，但是压力较大，门板前部压力梯度较大，受力同样不均匀，因此也不可取，设计中同样要避免。综合比较可以得出模型1，即车门与列车车体表面完全平齐是最合理的[12-15]。

a) 门内凹　　　　　　　　　　　　　b) 门外凸图5　400 km/h速度下门的压力分布图

表3不同车门安装模型的空气动力学对比

模型下限压力/Pa上限压力/Pa与车体表面平齐-1956-982向车内凹进30mm-32521689向车外凸出30mm-4096-627

5　结语

验证了高速列车塞拉门模型的正确性，通过对列车运行在隧道中时的空气动力学模型进行计算分析，分析了在不同工况下空气对于塞拉门可靠性的影响，并进一步研究了列车在最不利条件下塞拉门与车体的相对位置关系对于塞拉门可靠性等影响。可以为塞拉门的设计提供理论依据及支持。

[1]陈燕荣,肖友刚.高速列车空气动力学性能计算[J].铁道车辆,2009,47(1):14-16.

CHEN Yanrong,XIAO Yougang.Calculation in aerodynamics performance of high speed trains[J].Rolling Stock,2009,47(1):14-16.

[2]陈江红.车身结构与车内空腔流固耦合系统的模态分析[J].计算机辅助工程,2007,16(3):101-105.

CHEN Jianghong.Modal analysis on fluid-structure coupling system of automotive body structure and cavity[J].Computer Aided Engineering,2007,16(3):101-105.

[3]董亚男,徐宇工,邱英政.高速列车在桥梁上行驶时空气动力特性的数值模拟研究[J].铁道机车车辆,2008,28(3):14-18.

DONG Yanan,XU Yugong,QIU Yingzheng.Numerical simulation of the aerodynamic behaviors of a high-speed train traveling on the bridge[J].Railway Locomotive & Car,2008,28(3):14-18.

[4]刘杰,李人宪,赵晶.高速列车等速会车时气动作用力仿真分析[J].铁道车辆,2009,47(3):5-9.

LIU Jie,LI Renxian,ZHAO Jing.Simulation analysis of aerodynamic force for high speed trains passing at the same speed[J].Rolling Stock,2009,47(3):5-9.

[5]蔡新,储理才.流体动力学中不连续源项大Reynolds数问题的有限体积法[J].福州大学学报(自然科学版),2007,35(3):353-360.

CAI Xin,CHU Licai.Finite volume method for large Reynolds number problem with discontinuous source term in fluid dynamics[J].Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition),2007, 35(3):353-360.

[6]贾瑞珍,金宗斌.高速铁路线路轨道平顺问题的探讨[J].华东交通大学学报,1997,14(3):45-48.

JIA Ruizhen,JIN Zongbin.Discussions on the roughness of rails in high speed railway[J].Journal of East China Jiaotong University,1997,14(3):45-48.

[7]刘耀峰,韩占忠,闫为革,等.内燃机气道内三维气体流场的研究[J].车辆与动力技术,2002(4):19-22.

LIU Yaofeng,HAN Zhanzhong,YAN Weige,et al.Study of 3-D gas flow in intake duct of internal combustion engine[J].Vehicle & Power Technology, 2002(4):19-22.

[8]孙江龙,叶恒奎.ALE有限元法解二维自由面流体大晃动问题[J].华中科技大学学报(自然科学版),2002,30(11):80-82.

SUN Jianglong,YE Hengkui.Arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element method for large sloshing in two-dimensional fluid flow with a free surface[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2002,30(11):80-82.

[9]蒋莉,沈孟育.求解流体与结构相互作用问题的ALE有限元体积方法[J].水动力学研究与进展(A辑),2000,15(2):148-155.

JIANG Li,SHEN Mengyu.ALE finite volume computations of fluid-structure interaction problems[J].Journal of Hydrodynamics (Ser.A),2000，15(2):148-155.

[10]郭志勇,鹿洪禹.关于流体在管道内流动时动反力计算的商榷[J].宁夏工学院学报,1996(S1):405-407．

[11]邬海军,郭鹏程.ANSYS在水轮机部件流固耦合振动分析中的应用[J].水电能源科学,2004,22(4):64-66.

WU Haijun,GUO Pengcheng.Application of ANSYS to fluid-Solid coupling vibration analysis for component of hydraulic turbines[J].Water Resources and Power,2004,22(4):64-66.

[12]杜广沈.工程流体力学[M].北京:中国电力出版社,2007.

[13]商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京:清华大学出版社,2005.

[14]高耀东,刘学杰,何建霞.ANSYS机械工程应用精华50例[M].北京:电子工业出版社,2011.

[15]邓凡平.ANSYS12有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社,2011.

(责任编辑：郭守真)

Study on Reliability of High-Speed Train Sliding-Plug Door Based on ANSYS

SHITuo，ZHANGJiufu，WANGQun

(SchoolofMechanicalEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)

Taking the high-speed train sliding-plug door as research object,the structural characteristics and mechanical properties of the sliding-plug doors are discussed and analyses of sliding-plug doors under static conditions are conducted. Based on the theory of aerodynamics, the high-speed train sliding-plug door under different conditions is comparatively analyzed. In particular, the effect of air on sliding-plug door reliability is focused on when the train is passing the tunnel at high speed, which provides a theoretical support for the design of high-speed train sliding-plug door.

sliding-plug door of high-speed train; reliability; aerodynamics

2016-01-04

石拓(1990—)，男，西安人，硕士研究生，主要研究方向为CAD/CAE/CAM，E-mail: 853841060@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.03.015

U270.384

A

1672-0032(2016)03-0082-05