基于Ansys Workbench的城軌車門隔熱性能研究

曾世文 王祖進 楊欣薇

摘? 要：為了保障城軌車輛的穩定運行及車內溫度的有效平衡，除了需要考慮車門結構的安全性，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構，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域的平均傳熱系數以及內表面溫度分布情況，確定門扇是否能夠滿足隔熱設計要求。分析結果表明，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為5.66 W/（m2·K），能夠滿足車門設計要求。

關鍵詞：有限元仿真;城軌車輛;門扇;隔熱性

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻標識碼：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載方式，有客運量大，運輸快捷便利等特點，隨著社會現代化建設的快速發展，城軌車輛在城市日常交通運輸中的作用日益明顯[1，2]。隨著城軌車輛在人們日常出行中扮演著越來越重要的角色，人們對其質量評判的標準也越來越多元化，除了傳統的安全性標準和運輸速度標準，其穩定性與舒適性標準也受到越來越多的關注。在極端天氣中，城軌車輛的隔溫性能對于城軌車輛的穩定運行及車內溫度的平衡具有重要的影響。因此隔熱性作為城軌車輛質量好壞重要的衡量標準，一直是設計者們重要的研究內容。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，以現車實驗的方式，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。西安交通大學的曹松[4]以高寒地區城軌列車客室傳熱系數為研究對象，采用實驗與數值計算相結合的方法分析了列車車體典型結構的傳熱特性，并根據分析結果提出了對于不同列車客室車門結構的優化方案。以上對于城軌車門系統隔熱性能的研究方式，主要以現場實驗為基礎，具有針對性強，可靠性高的優點，但是實驗成本高，操作復雜性強，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較為直觀初步的了解，具有一定的實用性和可操作性。

城軌車輛車門系統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定運行及車內溫度的平衡，本文基于Ansys Workbench平臺對新設計的城軌車輛門扇進行隔熱性能仿真分析，研究在給定溫度載荷以及車門特質條件下，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計是否滿足要求進行驗證，為城軌車輛車門系統的安全規范使用以及后續的進一步優化設計提供參考依據。

1? 有限元仿真模型的建立

1.1? 模型的簡化與網格的劃分

本文首先使用三維建模軟件SolidWorks對城軌車輛門扇進行建模分析，原始門扇模型含有隔離鎖舌、護指膠條、門扇扣手等輔助結構，由于這些輔助結構對門扇隔熱性的影響可以忽略不計[5]，且這些輔助部件的結構復雜，小型曲面較多，在建模過程中對模型網格的劃分要求較高，因此對于計算的收斂性以及計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行適當刪減，對城軌車輛門扇模型進行合理簡化，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外蒙皮、鋁蜂窩結構、車窗等主要結構，將簡化后的城軌車門門扇模型另存為x-t格式文件導入ANSYS Workbench軟件中進行熱力學仿真分析。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行網格劃分，對于其中極少部分不規則的幾何體采用的是四面體網格單元進行劃分，其余較為規整的結構部分均采用六面體單元進行網格劃分。簡化后的城軌車門門扇結構模型經過網格劃分后，有限元模型的最大單元為10 mm，單元總數為383 913個，單元的平均質量為0.85，滿足有限元仿真中穩態熱分析的要求。

1.2? 模型材料屬性的添加

在進行有限元仿真之前需要對模型的材料屬性進行設置，由于本文的研究內容主要是針對門扇的穩態熱力學特性，因此門扇各部件的其他材料參數，如泊松比、彈性模量以及密度等皆采用軟件默認設置。主要對內外蒙皮、鋁蜂窩結構、車窗等結構所涉及的鋁型材，鋼化玻璃，粘接膠，鋁蜂窩等材料的熱力學參數進行設置，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

根據城軌車輛運行現場的實際工況和專家經驗可知，城軌車輛門扇內側為熱箱自然對流，其中熱箱溫度為T熱= 20 ℃，對流換熱系數為h1=8.7 W/（m2 · K），如圖2中位置B所示，。城軌車輛門扇外側為冷箱強制對流，其中冷箱溫度為T冷=-20 ℃，對流換熱系數為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構以及運行工況較為復雜，因此為保證研究的可行性，本文為城軌車輛設置一些先行條件，后續研究在此基礎上進行[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生小變形;（3）符合線性關系;（4）考慮城軌車輛門扇自身的重力。

2.2? 仿真結果分析

首先對城軌車輛門系統進行穩態熱分析模擬，Ansys Workbench軟件對于穩態熱分析過程中的能量變化滿足以下平衡方程[8]：

式中，[K]為熱傳導矩陣，{T}為節點溫度向量，{Q}為節點熱流率向量，熱傳導矩陣、節點溫度向量、節點熱流率向量這三個參數都可以設定為常量函數。

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

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進行在熱箱溫度20 ℃，冷箱溫度-20 ℃，即內外溫差為40 ℃的載荷條件下的隔熱性能仿真分析，得到仿真結果的熱通量云圖如圖3所示。

如圖3所示，整個城軌車輛門系統的所呈現出的色彩變化有從深藍到淺綠色的顏色深淺之分，顏色為深藍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域熱通量越高，因此從仿真分析得到的門系統熱通量云圖分布可以看出，暖色區域主要集中分布在城軌車門門系統上檔、后檔和下檔型材部分，由此可見整個門扇的熱量傳遞主要分布在門系統上檔、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果中的城軌車輛門板外表面熱流大小數值進行提取，可以得到在給定溫度載荷條件下，流經門扇總的熱流為Q=438.34 W。由于城軌車輛門系統的門扇面積S=1.937 m2，設定的內外表面溫差為T=40 ℃，因此根據傳熱系數與熱流以及傳熱面積之間的關系，可以求得該城軌車輛門扇的平均傳熱系數為[9]：

因此，根據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，其整體的傳熱系數為5.66 W/（m2 · K）。

3? 結? 論

城軌車輛車門系統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。為了保障車輛的穩定運行及車內溫度的平衡，本文以城軌車門門扇結構為研究對象，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域的平均傳熱系數以及內表面溫度分布情況，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行仿真分析。分析結果表明：在給定熱箱溫度20 ℃，冷箱溫度-20 ℃，即內外溫差為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為5.66 W/（m2 · K），能夠滿足車門設計要求。驗證過程表明，通過文中所用的分析方法，能夠從一定程度上實現對于門系統的熱性能仿真分析，為城軌車輛車門系統的安全規范使用以及后續的進一步優化設計提供參考依據。

參考文獻：

[1] 李晟銘.我國城市軌道交通發展現狀與分析 [J].中國設備工程，2020（20）：235-237.

[2] 周曉勤.中國城市軌道交通的發展現狀及機遇 [J].城市軌道交通，2018（10）：23.

[3] 韓曉明.城市軌道交通車輛車體隔熱材料及其應用 [J].裝備機械，2013（1）：57-64.

[4] 曹松.寒冷地區輕型城軌列車客室傳熱系數研究 [D].成都：西南交通大學，2017.

[5] 金元貴，史金飛，史翔.軌道車輛門系統設計 [M].北京：高等教育出版社，2011.

[6] 周炬，蘇金英.ANSYSWorkbench有限元分析實例詳解 [M].北京：人民郵電出版社，2017.

[7] 許京荊.Ansys Workbench結構分析與實例講解 [M].北京：人民郵電出版社，2019.

[8] 郭瑋，王文文.基于Ansys有限元分析的結構仿真技術探討 [J].通用機械，2020（8）：55-59.

[9] 楊世銘，陶文銓.傳熱學：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，技術總監，碩士，研究方向：軌道車門研究;王祖進（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：機械故障診斷。