交互式参数化轨道交通车辆制动盘热仿真系统*

2023-10-08左建勇王新伟宋仕强夏铭辰

城市轨道交通研究 2023年9期

左建勇王新伟宋仕强夏铭辰

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院, 201804, 上海∥第一作者, 教授)

列车在制动过程中会产生大量能量,导致制动盘急剧升温,同时对制动盘的热负荷能力要求也相应有所提高。在制动盘的设计方法中,需要根据列车的实际运行工况进行仿真分析,这对缩短设计周期、节约研发成本起到了极其重要的作用。轨道交通车辆的参数和工况类型较多,仿真过程较为复杂。对于城市轨道交通及高铁车辆而言,其运行过程存在反复启动和制动操作,对这类线路的运行工况进行仿真时,前期载荷计算及输入工作量极大,仿真研究效率较低。

APDL语言是ANSYS软件内置的参数化设计语言,利用APDL语言可以便捷地组织ANSYS软件的操作命令,实现对ANSYS软件的二次开发功能。本文结合VB语言与APDL语言,实现对ANSYS软件的后台调用与自动化仿真,并构建交互式界面降低仿真操作难度。在ANSYS软件的后台仿真过程中,利用VB语言生成相应的APDL命令流,从而实现仿真中的前处理、计算与后处理的全部过程,提高了仿真效率。

本文针对制动盘仿真复杂且耗时的问题,利用VB语言建立了一种交互式参数化轨道交通车辆制动盘热仿真系统(以下简称“制动盘热仿真系统”),通过调用APDL语言实现制动盘自动化参数仿真,提高了制动盘仿真效率,降低了ANSYS仿真软件的操作门槛,为实际工程的应用带来了便捷。

1 交互式参数化热仿真原理

1.1 制动盘热仿真原理

车辆制动时,夹钳带动闸片夹紧制动盘,制动盘与闸片摩擦生热。在进行制动盘的热机耦合仿真时,为了减少仿真时间,根据制动盘循环对称的特点,选取制动盘的1/8模型(以轴盘为例)进行仿真。制动盘仿真模型如图1所示。

图1 制动盘仿真模型

制动时,列车从初始速度经制动达到静止状态,摩擦热能主要集中在制动盘中,假设摩擦产生的热量在摩擦面上均匀分布,采用能量折算法计算热流密度q(t)[1]:

q(t)=ηma(v0-at)/(2nA)

式中:

η——制动盘的热吸收率;

m——轴重;

n——每轴制动盘数量;

A——制动盘摩擦面面积;

v0——制动初速度;

a——制动减速度;

t——制动时间。

在列车制动过程中,制动盘与空气受到强制对流换热作用,热对流载荷主要与列车运行速度和空气参数有关。制动盘在仿真分析时,制动盘仿真载荷施加示意图如图2所示。

图2 制动盘仿真载荷施加示意图

1.2 车辆参数化

由制动盘热仿真原理可知,进行仿真计算时需要确定列车编组、制动盘热效率、制动盘装配形式、列车速度工况及制动盘本构参数,根据仿真所需参数设计的车辆参数化界面软件截图如图3所示。

图3 车辆参数化界面软件截图

1.3 运行工况参数化

轨道交通车辆运行工况类型较多,在进行仿真计算时,将运行工况分为车辆一次制动、两次连续制动、三次连续制动及线路运行等不同类型的运行工况。以三次连续制动为例,由制动盘热仿真原理可知,需要已知车辆的运行速度及减速度等参数。根据仿真所需参数设计的运行工况参数化界面软件截图如图4所示。在工况参数界面中,需输入运行过程中的车辆惰行时间、停站时间、制动坡度、制动减速度及制动初速度等参数。

图4 工况参数界面软件截图

2 制动盘热仿真系统

软件系统分为界面操作层、算例实现层和数据操作层三部分。仿真系统整体架构示意图如图5所示。界面操作层借助VB语言窗体,应用工程中提供的多种控件构建界面。算例实现层包括界面参数处理、ANSYS软件运算、运算结果参数处理,通过获取界面参数进行计算前预处理,生成完整的APDL代码,再利用VB语言实现ANSYS软件的调用,最后对计算结果进行处理并展示。数据操作层负责调用ANSYS软件并存取生成的数据,通过VB语言对ANSYS软件生成的数据文件进行读写,最终获得包含仿真温度结果和仿真应力结果的分析报告。

图5 仿真系统整体架构示意图

2.1 界面操作层

制动盘热仿真系统基于VB语言建立外部人机交互界面,主要包括软件开始界面、参数输入界面及结果展示界面。操作人员在参数输入界面输入仿真计算所需参数,在仿真完成后,可在结果展示界面获取仿真结果。

2.2 算例实现层

2.2.1 界面参数处理

操作人员在交互界面填写仿真所需参数,如车辆参数、制动盘选择、工况参数等。仿真系统根据操作者的参数设置,计算施加在制动盘上的热载荷,并输出APDL命令流。命令流主要包括前处理模块、仿真计算模块和后处理模块。APDL命令流模块组成示意图如图6所示。

图6 APDL命令流模块组成示意图

2.2.2 ANSYS软件运算

仿真系统将VB语言与ANSYS软件结合起来,在生成完整的APDL命令流之后,使用VB语言后台调用ANSYS软件进行计算[2]。调用程序的关键代码为:

Dim x As Double x=Shell("D:ANSYSAnsys190ANSYSIncv190ansysinintelANSYS190.exe-b-pane3fl-iD:ansys.txt-oD: esult.txt" , vbNor-malFocus)

2.2.3 运算结果参数处理

ANSYS软件运算完成后,根据APDL命令流生成jpg格式的温度云图和应力云图,以及包含结果时间历程数据的txt文件。

2.3 数据操作层

结束计算后,制动盘热仿真系统调用ANSYS软件生成的数据文件进行读写。利用VB语言的图片处理和字符串处理功能,在结果展示界面显示仿真结果。将仿真结果插入Word报告对应位置,生成一份完整的仿真报告。

3 仿真案例

以某型车辆为例,基于制动盘热仿真系统对其制动盘进行仿真计算,获得制动盘的温度和应力计算结果,并将仿真结果与文献[3]的试验结果进行对比。同时,由于手动操作ANSYS软件需要进行参数定义、施加载荷计算、网格划分等繁琐操作,记录制动盘热仿真系统完成仿真所需时间及手动操作ANSYS软件完成相同案例仿真所需时间,并对二者进行对比分析。