曾世文 王祖進(jìn) 楊欣薇

摘? 要：為了保障城軌車輛的穩(wěn)定運(yùn)行及車內(nèi)溫度的有效平衡，除了需要考慮車門結(jié)構(gòu)的安全性，還需對其隔熱性能提出較高的要求。文章針對一種新型城軌車門門扇結(jié)構(gòu)，基于Ansys Workbench仿真平臺，利用有限元仿真的方法，分析給定工況下門扇整體及局部區(qū)域的平均傳熱系數(shù)以及內(nèi)表面溫度分布情況，確定門扇是否能夠滿足隔熱設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果表明，門扇的上檔、后檔和下檔型材部分熱量傳遞較大，給定工況條件下門扇整體傳熱系數(shù)為5.66 W/（m2·K），能夠滿足車門設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：有限元仿真;城軌車輛;門扇;隔熱性

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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

城軌車輛作為常用的交通運(yùn)載方式，有客運(yùn)量大，運(yùn)輸快捷便利等特點(diǎn)，隨著社會現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，城軌車輛在城市日常交通運(yùn)輸中的作用日益明顯[1，2]。隨著城軌車輛在人們?nèi)粘３鲂兄邪缪葜絹碓街匾慕巧?，人們對其質(zhì)量評判的標(biāo)準(zhǔn)也越來越多元化，除了傳統(tǒng)的安全性標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)輸速度標(biāo)準(zhǔn)，其穩(wěn)定性與舒適性標(biāo)準(zhǔn)也受到越來越多的關(guān)注。在極端天氣中，城軌車輛的隔溫性能對于城軌車輛的穩(wěn)定運(yùn)行及車內(nèi)溫度的平衡具有重要的影響。因此隔熱性作為城軌車輛質(zhì)量好壞重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，一直是設(shè)計(jì)者們重要的研究內(nèi)容。韓曉明[3]以軌道車輛的保溫隔熱材料的選擇和安裝方式為研究對象，以現(xiàn)車實(shí)驗(yàn)的方式，分析得出不同材料和安裝方式對于車輛保溫隔熱效果的影響。西安交通大學(xué)的曹松[4]以高寒地區(qū)城軌列車客室傳熱系數(shù)為研究對象，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法分析了列車車體典型結(jié)構(gòu)的傳熱特性，并根據(jù)分析結(jié)果提出了對于不同列車客室車門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。以上對于城軌車門系統(tǒng)隔熱性能的研究方式，主要以現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，具有針對性強(qiáng)，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)驗(yàn)成本高，操作復(fù)雜性強(qiáng)，對于多種類型的車門隔城軌車輛熱性能的分析缺乏可行性，因此本文采用仿真分析的方式，對于城軌車輛車門的隔熱性能有一個(gè)較為直觀初步的了解，具有一定的實(shí)用性和可操作性。

城軌車輛車門系統(tǒng)是城軌車輛的重要組成部分，其隔熱性能的好壞對整車的隔熱性有著較大的影響，因此為了保障車輛的穩(wěn)定運(yùn)行及車內(nèi)溫度的平衡，本文基于Ansys Workbench平臺對新設(shè)計(jì)的城軌車輛門扇進(jìn)行隔熱性能仿真分析，研究在給定溫度載荷以及車門特質(zhì)條件下，城軌車輛門扇的隔熱特性的變化，并基于此對城軌車輛車門的隔熱性設(shè)計(jì)是否滿足要求進(jìn)行驗(yàn)證，為城軌車輛車門系統(tǒng)的安全規(guī)范使用以及后續(xù)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1? 有限元仿真模型的建立

1.1? 模型的簡化與網(wǎng)格的劃分

本文首先使用三維建模軟件SolidWorks對城軌車輛門扇進(jìn)行建模分析，原始門扇模型含有隔離鎖舌、護(hù)指膠條、門扇扣手等輔助結(jié)構(gòu)，由于這些輔助結(jié)構(gòu)對門扇隔熱性的影響可以忽略不計(jì)[5]，且這些輔助部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，小型曲面較多，在建模過程中對模型網(wǎng)格的劃分要求較高，因此對于計(jì)算的收斂性以及計(jì)算效率有較大的影響[6]。為提高對于城軌車輛門扇有限元仿真的精度和效率，本次分析通過將該類輔助部件進(jìn)行適當(dāng)刪減，對城軌車輛門扇模型進(jìn)行合理簡化，如圖1所示。

由圖1可以看出，簡化后的城軌車輛門扇模型主要包括內(nèi)外蒙皮、鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、車窗等主要結(jié)構(gòu)，將簡化后的城軌車門門扇模型另存為x-t格式文件導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析。模型簡化后利用Workbench平臺的Mesh模塊對于簡化后的成果車門門扇進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于其中極少部分不規(guī)則的幾何體采用的是四面體網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，其余較為規(guī)整的結(jié)構(gòu)部分均采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。簡化后的城軌車門門扇結(jié)構(gòu)模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，有限元模型的最大單元為10 mm，單元總數(shù)為383 913個(gè)，單元的平均質(zhì)量為0.85，滿足有限元仿真中穩(wěn)態(tài)熱分析的要求。

1.2? 模型材料屬性的添加

在進(jìn)行有限元仿真之前需要對模型的材料屬性進(jìn)行設(shè)置，由于本文的研究內(nèi)容主要是針對門扇的穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)特性，因此門扇各部件的其他材料參數(shù)，如泊松比、彈性模量以及密度等皆采用軟件默認(rèn)設(shè)置。主要對內(nèi)外蒙皮、鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、車窗等結(jié)構(gòu)所涉及的鋁型材，鋼化玻璃，粘接膠，鋁蜂窩等材料的熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

2? 有限元仿真分析

2.1? 約束條件以及載荷的施加

根據(jù)城軌車輛運(yùn)行現(xiàn)場的實(shí)際工況和專家經(jīng)驗(yàn)可知，城軌車輛門扇內(nèi)側(cè)為熱箱自然對流，其中熱箱溫度為T熱= 20 ℃，對流換熱系數(shù)為h1=8.7 W/（m2 · K），如圖2中位置B所示，。城軌車輛門扇外側(cè)為冷箱強(qiáng)制對流，其中冷箱溫度為T冷=-20 ℃，對流換熱系數(shù)為h2=23 W/（m2 · K），對外表面施加對流邊界，如圖2中位置A所示。

由于城軌車輛自身結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行工況較為復(fù)雜，因此為保證研究的可行性，本文為城軌車輛設(shè)置一些先行條件，后續(xù)研究在此基礎(chǔ)上進(jìn)行[7]：（1）所研究的城軌車輛門扇各部分材料是均勻分布的，且具有一致性;（2）所研究的城軌車輛門扇在熱載荷條件下產(chǎn)生小變形;（3）符合線性關(guān)系;（4）考慮城軌車輛門扇自身的重力。

2.2? 仿真結(jié)果分析

首先對城軌車輛門系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析模擬，Ansys Workbench軟件對于穩(wěn)態(tài)熱分析過程中的能量變化滿足以下平衡方程[8]：

式中，[K]為熱傳導(dǎo)矩陣，{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量，{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，熱傳導(dǎo)矩陣、節(jié)點(diǎn)溫度向量、節(jié)點(diǎn)熱流率向量這三個(gè)參數(shù)都可以設(shè)定為常量函數(shù)。

上述平衡方程以傅立葉定律為理論基礎(chǔ)，同時(shí)固體內(nèi)部的熱流是熱傳導(dǎo)矩陣的基礎(chǔ)，因此熱通量、熱流率{Q}等為熱傳導(dǎo)方程的邊界條件。

接下來基于以上平衡方程，使用Ansys Workbench仿真軟件對城軌車輛門系統(tǒng)進(jìn)行在熱箱溫度20 ℃，冷箱溫度-20 ℃，即內(nèi)外溫差為40 ℃的載荷條件下的隔熱性能仿真分析，得到仿真結(jié)果的熱通量云圖如圖3所示。

如圖3所示，整個(gè)城軌車輛門系統(tǒng)的所呈現(xiàn)出的色彩變化有從深藍(lán)到淺綠色的顏色深淺之分，顏色為深藍(lán)的部分為熱通量較低的部分，色彩越趨近于暖色則表明其所在的區(qū)域熱通量越高，因此從仿真分析得到的門系統(tǒng)熱通量云圖分布可以看出，暖色區(qū)域主要集中分布在城軌車門門系統(tǒng)上檔、后檔和下檔型材部分，由此可見整個(gè)門扇的熱量傳遞主要分布在門系統(tǒng)上檔、后檔和下檔型材部分，并且熱量傳遞的最大位置位于下檔部分。通過Ansys Workbench軟件直接對仿真分析結(jié)果中的城軌車輛門板外表面熱流大小數(shù)值進(jìn)行提取，可以得到在給定溫度載荷條件下，流經(jīng)門扇總的熱流為Q=438.34 W。由于城軌車輛門系統(tǒng)的門扇面積S=1.937 m2，設(shè)定的內(nèi)外表面溫差為T=40 ℃，因此根據(jù)傳熱系數(shù)與熱流以及傳熱面積之間的關(guān)系，可以求得該城軌車輛門扇的平均傳熱系數(shù)為[9]：

因此，根據(jù)以上分析我們可以最終得到，在給定熱箱溫度20 ℃，冷箱溫度-20 ℃，即內(nèi)外溫差為40 ℃的載荷條件下，對于材料均勻分布且熱變形較小的城軌車輛車門門扇，其整體的傳熱系數(shù)為5.66 W/（m2 · K）。

3? 結(jié)? 論

城軌車輛車門系統(tǒng)是城軌車輛的重要組成部分，其隔熱性能的好壞對整車的隔熱性有著較大的影響。為了保障車輛的穩(wěn)定運(yùn)行及車內(nèi)溫度的平衡，本文以城軌車門門扇結(jié)構(gòu)為研究對象，采用有限元仿真分析的方式，基于給定的門扇整體及局部區(qū)域的平均傳熱系數(shù)以及內(nèi)表面溫度分布情況，通過Ansys Workbench軟件對于析在一定溫度載荷條件下城軌車輛門扇的隔熱性能進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明：在給定熱箱溫度20 ℃，冷箱溫度-20 ℃，即內(nèi)外溫差為40 ℃的載荷條件下，城軌車輛門扇的上檔、后檔以及下檔型材部分的熱量傳遞較大，并且門扇整體的平均傳熱系數(shù)為5.66 W/（m2 · K），能夠滿足車門設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證過程表明，通過文中所用的分析方法，能夠從一定程度上實(shí)現(xiàn)對于門系統(tǒng)的熱性能仿真分析，為城軌車輛車門系統(tǒng)的安全規(guī)范使用以及后續(xù)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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[9] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)：第4版 [M].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介：曾世文（1972—），男，漢族，四川簡陽人，高級工程師，技術(shù)總監(jiān)，碩士，研究方向：軌道車門研究;王祖進(jìn)（1988—），男，漢族，江蘇連云港人，高級工程師，智能算法室主任，博士，研究方向：軌道車門故障診斷;楊欣薇（1993—），女，漢族，江蘇南京人，嵌入式軟件工程師，碩士，研究方向：機(jī)械故障診斷。