张艳

同济大学   上海   201804

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。

关键字： 25型铁道客车，HyperMesh，HyperBeam

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=2.1xMPa；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。

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。

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。

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。

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。