基于Ansys Workbench的城轨车门隔热性能研究

曾世文 王祖进 杨欣薇

摘  要：为了保障城轨车辆的稳定运行及车内温度的有效平衡，除了需要考虑车门结构的安全性，还需对其隔热性能提出较高的要求。文章针对一种新型城轨车门门扇结构，基于Ansys Workbench仿真平台，利用有限元仿真的方法，分析给定工况下门扇整体及局部区域的平均传热系数以及内表面温度分布情况，确定门扇是否能够满足隔热设计要求。分析结果表明，门扇的上档、后档和下档型材部分热量传递较大，给定工况条件下门扇整体传热系数为5.66 W/（m2·K），能够满足车门设计要求。

关键词：有限元仿真;城轨车辆;门扇;隔热性

中图分类号：TP391.9          文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）22-0168-03

Abstract： In order to ensure the stable operation of urban rail vehicles and the effective balance of interior temperature， in addition to considering the safety of door structure， it is also necessary to put forward higher requirements for its heat insulating property. Aiming at a new urban rail door leaf structure， based on the Ansys Workbench simulation platform and using the finite element simulation method， this paper analyzes the average heat transfer coefficient and internal surface temperature distribution of the whole and local area of the door leaf under the given working conditions， and determines whether the door leaf can meet the heat insulating design requirements. The analysis results show that the heat transfer of the upper， rear and lower profiles of the door leaf is large. Under the given working conditions， the overall heat transfer coefficient of the door leaf is 5.66 W/（m2·K）， which can meet the design requirements of the vehicle door.

Keywords： finite element simulation; urban rail vehicle; door leaf; heat insulating property

0  引  言

城轨车辆作为常用的交通运载方式，有客运量大，运输快捷便利等特点，随着社会现代化建设的快速发展，城轨车辆在城市日常交通运输中的作用日益明显[1，2]。随着城轨车辆在人们日常出行中扮演着越来越重要的角色，人们对其质量评判的标准也越来越多元化，除了传统的安全性标准和运输速度标准，其稳定性与舒适性标准也受到越来越多的关注。在极端天气中，城轨车辆的隔温性能对于城轨车辆的稳定运行及车内温度的平衡具有重要的影响。因此隔热性作为城轨车辆质量好坏重要的衡量标准，一直是设计者们重要的研究内容。韩晓明[3]以轨道车辆的保温隔热材料的选择和安装方式为研究对象，以现车实验的方式，分析得出不同材料和安装方式对于车辆保温隔热效果的影响。西安交通大学的曹松[4]以高寒地区城轨列车客室传热系数为研究对象，采用实验与数值计算相结合的方法分析了列车车体典型结构的传热特性，并根据分析结果提出了对于不同列车客室车门结构的优化方案。以上对于城轨车门系统隔热性能的研究方式，主要以现场实验为基础，具有针对性强，可靠性高的优点，但是实验成本高，操作复杂性强，对于多种类型的车门隔城轨车辆热性能的分析缺乏可行性，因此本文采用仿真分析的方式，对于城轨车辆车门的隔热性能有一个较为直观初步的了解，具有一定的实用性和可操作性。

城轨车辆车门系统是城轨车辆的重要组成部分，其隔热性能的好坏对整车的隔热性有着较大的影响，因此为了保障车辆的稳定运行及车内温度的平衡，本文基于Ansys Workbench平台对新设计的城轨车辆门扇进行隔热性能仿真分析，研究在给定温度载荷以及车门特质条件下，城轨车辆门扇的隔热特性的变化，并基于此对城轨车辆车门的隔热性设计是否满足要求进行验证，为城轨车辆车门系统的安全规范使用以及后续的进一步优化设计提供参考依据。

1  有限元仿真模型的建立

1.1  模型的简化与网格的划分

本文首先使用三维建模软件SolidWorks对城轨车辆门扇进行建模分析，原始门扇模型含有隔离锁舌、护指胶条、门扇扣手等辅助结构，由于这些辅助结构对门扇隔热性的影响可以忽略不计[5]，且这些辅助部件的结构复杂，小型曲面较多，在建模过程中对模型网格的划分要求较高，因此對于计算的收敛性以及计算效率有较大的影响[6]。为提高对于城轨车辆门扇有限元仿真的精度和效率，本次分析通过将该类辅助部件进行适当删减，对城轨车辆门扇模型进行合理简化，如图1所示。

由图1可以看出，简化后的城轨车辆门扇模型主要包括内外蒙皮、铝蜂窝结构、车窗等主要结构，将简化后的城轨车门门扇模型另存为x-t格式文件导入ANSYS Workbench软件中进行热力学仿真分析。模型简化后利用Workbench平台的Mesh模块对于简化后的成果车门门扇进行网格划分，对于其中极少部分不规则的几何体采用的是四面体网格单元进行划分，其余较为规整的结构部分均采用六面体单元进行网格划分。简化后的城轨车门门扇结构模型经过网格划分后，有限元模型的最大单元为10 mm，单元总数为383 913个，单元的平均质量为0.85，满足有限元仿真中稳态热分析的要求。

1.2  模型材料属性的添加

在进行有限元仿真之前需要对模型的材料属性进行设置，由于本文的研究内容主要是針对门扇的稳态热力学特性，因此门扇各部件的其他材料参数，如泊松比、弹性模量以及密度等皆采用软件默认设置。主要对内外蒙皮、铝蜂窝结构、车窗等结构所涉及的铝型材，钢化玻璃，粘接胶，铝蜂窝等材料的热力学参数进行设置，如表1所示。

2  有限元仿真分析

2.1  约束条件以及载荷的施加

根据城轨车辆运行现场的实际工况和专家经验可知，城轨车辆门扇内侧为热箱自然对流，其中热箱温度为T热= 20 ℃，对流换热系数为h1=8.7 W/（m2 · K），如图2中位置B所示，。城轨车辆门扇外侧为冷箱强制对流，其中冷箱温度为T冷=-20 ℃，对流换热系数为h2=23 W/（m2 · K），对外表面施加对流边界，如图2中位置A所示。

由于城轨车辆自身结构以及运行工况较为复杂，因此为保证研究的可行性，本文为城轨车辆设置一些先行条件，后续研究在此基础上进行[7]：（1）所研究的城轨车辆门扇各部分材料是均匀分布的，且具有一致性;（2）所研究的城轨车辆门扇在热载荷条件下产生小变形;（3）符合线性关系;（4）考虑城轨车辆门扇自身的重力。

2.2  仿真结果分析

首先对城轨车辆门系统进行稳态热分析模拟，Ansys Workbench软件对于稳态热分析过程中的能量变化满足以下平衡方程[8]：

式中，[K]为热传导矩阵，{T}为节点温度向量，{Q}为节点热流率向量，热传导矩阵、节点温度向量、节点热流率向量这三个参数都可以设定为常量函数。

上述平衡方程以傅立叶定律为理论基础，同时固体内部的热流是热传导矩阵的基础，因此热通量、热流率{Q}等为热传导方程的边界条件。

接下来基于以上平衡方程，使用Ansys Workbench仿真软件对城轨车辆门系统进行在热箱温度20 ℃，冷箱温度-20 ℃，即内外温差为40 ℃的载荷条件下的隔热性能仿真分析，得到仿真结果的热通量云图如图3所示。

如图3所示，整个城轨车辆门系统的所呈现出的色彩变化有从深蓝到浅绿色的颜色深浅之分，颜色为深蓝的部分为热通量较低的部分，色彩越趋近于暖色则表明其所在的区域热通量越高，因此从仿真分析得到的门系统热通量云图分布可以看出，暖色区域主要集中分布在城轨车门门系统上档、后档和下档型材部分，由此可见整个门扇的热量传递主要分布在门系统上档、后档和下档型材部分，并且热量传递的最大位置位于下档部分。通过Ansys Workbench软件直接对仿真分析结果中的城轨车辆门板外表面热流大小数值进行提取，可以得到在给定温度载荷条件下，流经门扇总的热流为Q=438.34 W。由于城轨车辆门系统的门扇面积S=1.937 m2，设定的内外表面温差为T=40 ℃，因此根据传热系数与热流以及传热面积之间的关系，可以求得该城轨车辆门扇的平均传热系数为[9]：

因此，根据以上分析我们可以最终得到，在给定热箱温度20 ℃，冷箱温度-20 ℃，即内外温差为40 ℃的载荷条件下，对于材料均匀分布且热变形较小的城轨车辆车门门扇，其整体的传热系数为5.66 W/（m2 · K）。

3  结  论

城轨车辆车门系统是城轨车辆的重要组成部分，其隔热性能的好坏对整车的隔热性有着较大的影响。为了保障车辆的稳定运行及车内温度的平衡，本文以城轨车门门扇结构为研究对象，采用有限元仿真分析的方式，基于给定的门扇整体及局部区域的平均传热系数以及内表面温度分布情况，通过Ansys Workbench软件对于析在一定温度载荷条件下城轨车辆门扇的隔热性能进行仿真分析。分析结果表明：在给定热箱温度20 ℃，冷箱温度-20 ℃，即内外温差为40 ℃的载荷条件下，城轨车辆门扇的上档、后档以及下档型材部分的热量传递较大，并且门扇整体的平均传热系数为5.66 W/（m2 · K），能够满足车门设计要求。验证过程表明，通过文中所用的分析方法，能够从一定程度上实现对于门系统的热性能仿真分析，为城轨车辆车门系统的安全规范使用以及后续的进一步优化设计提供参考依据。

参考文献：

[1] 李晟铭.我国城市轨道交通发展现状与分析 [J].中国设备工程，2020（20）：235-237.

[2] 周晓勤.中国城市轨道交通的发展现状及机遇 [J].城市轨道交通，2018（10）：23.

[3] 韩晓明.城市轨道交通车辆车体隔热材料及其应用 [J].装备机械，2013（1）：57-64.

[4] 曹松.寒冷地区轻型城轨列车客室传热系数研究 [D].成都：西南交通大学，2017.

[5] 金元贵，史金飞，史翔.轨道车辆门系统设计 [M].北京：高等教育出版社，2011.

[6] 周炬，苏金英.ANSYSWorkbench有限元分析实例详解 [M].北京：人民邮电出版社，2017.

[7] 许京荆.Ansys Workbench结构分析与实例讲解 [M].北京：人民邮电出版社，2019.

[8] 郭玮，王文文.基于Ansys有限元分析的结构仿真技术探讨 [J].通用机械，2020（8）：55-59.

[9] 杨世铭，陶文铨.传热学：第4版 [M].北京：高等教育出版社，2006.

作者简介：曾世文（1972—），男，汉族，四川简阳人，高级工程师，技术总监，硕士，研究方向：轨道车门研究;王祖进（1988—），男，汉族，江苏连云港人，高级工程师，智能算法室主任，博士，研究方向：轨道车门故障诊断;杨欣薇（1993—），女，汉族，江苏南京人，嵌入式软件工程师，硕士，研究方向：机械故障诊断。