基于Abaqus的高速列车车体传热系数仿真优化计算.docx

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基于Abaqus的高速列车车体传热系数仿真优化计算

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崔海英李鑫

摘要:以静止状态下某高速列车车体为研究对象,将其复杂的内外热交换系统简化为车体壁和冷桥两部分,运用Abaqus仿真计算得到整车传热系数;与相似设计的动车组车体实验结果对比可知仿真结果合理可靠.编写Python脚本实现在Abaqus后处理中显示车体壁传热系数K值云图的功能,以便于指导车体结构的优化设计;根据车体的原始设计并将选材成本考虑在内,提出的三种车体结构优化方案,使得整车传热系数降低10%.

关键词:高速列车;车体;车体壁;冷桥;传热系数;结构优化;Abaqus;Python

中图分类号:U270.383文献标志码:B

Abstract:Ahigh-speedtrainbodyinastationarystateistakenastheresearchobject,ofwhichthecomplexinternalandexternalheatexchangesystemissimplifiedastwoparts:vehiclewallandcoldbridge.TheheattransfercoefficientofthevehicleiscalculatedbyAbaqussimulation.BycomparingwiththeexperimentalresultofanElectricMultipleUnittrainbodywithsimilardesign,thesimulationresultisreasonableandreliable.Thefunctionthatdisplaysheattransfercoefficientcontourofvehiclewallinpost-processingofAbaqusisimplementedbyPythonscript.Thismethodcanbeusedforguidingoptimizationdesignofvehiclebodystructure.Accordingtotheoriginaldesignofthevehiclebodyandtakingthematerialcostintoaccount,threeoptimizationschemesaboutbodystructureareproposed,whichcanreducevehiclesheattransfercoefficientby10%.

Keywords:high-speedtrain;vehiclebody;vehiclewall;coldbridge;heattransfercoefficient;structureoptimization;Abaqus;Python

0引言

高速列车不仅要保证安全高速地运行,还要为旅客和车上工作人员尽可能创造舒适的环境.为保持车室内温度恒定,除使用空调设备外,车体还必须具有良好的隔热性能,车体传热系数K便是衡量其隔热性能的重要参数.[1-2]采用计算机仿真技术不仅可以计算K值,还可以根据仿真结果指导车体结构优化.[3]现有的计算方法通常将车体三维传热问题简化为一维问题,误差较大,并且难以反映各种部件装配间隙对传热的影响.[4-5]另外,通用仿真软件不具备直观显示K值分布的功能,不利于提出结构热工优化方案.[6]

本文以静止状态下某高速列车车体为研究对象,通过Abaqus仿真计算其传热系数K,并与相似设计的动车组车体实验结果对比,通过二次开发实现在Abaqus后处理中显示车体壁K值云图的功能,最终提出降低整车K值的车体结构优化方案.

1计算方法

高速列车车体的内外热交换系统较为复杂,车顶部分的传热路径为:车体外侧涂料—中空铝型材—阻尼浆—隔热层—内饰件,车体内外壁之间还有各种冷桥结构交错组合.本文将此复杂的传热系统简化为车体壁和冷桥2部分,基于稳态传热原理,在不考虑辐射传热的前提下运用Abaqus仿真软件分别计算得到各部分的传热量,再通过式(1)计算整车传热系数K[7].K=ΦA(t高-t低)(1)式中:Φ为传热量,W;A为传热面积,m2;t高和t低分别为车体内、外侧温度,K.

2计算条件

设置车室内外的温度和车体内外的表面传热系数作为边界条件.根据《铁道客

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