基于RS映射的高速动车侧窗模型边界位移计算方法及其粘接强度计算方法与流程

本发明涉及高速动车侧窗粘接强度分析领域，具体涉及基于RS映射的高速动车侧窗模型边界位移计算方法及其粘接强度计算方法。

背景技术：

高速动车侧窗的粘接强度直接影响着乘客的安全性和舒适性，在动车行驶的过程中，侧窗胶粘剂除了受重力、侧窗内外压力差产生的压力或者拉力外，还受车体变形的影响。传统的计算方法是建立车体和侧窗的整体有限元模型，在动车行驶的各个工况下对胶粘剂进行强度分析。由于胶粘剂尺寸相对较小，导致整体有限元模型单元尺寸偏小，单元数量巨大，因此对计算机硬件设备要求较高，而且计算效率低下，特别是在侧窗胶粘剂结构尺寸设计时，需要对胶粘剂尺寸反复修改，然后对整体有限元模型进行修改，这会浪费大量建模时间和分析计算时间。

专利201610363318.5公开一种基于三角形面积插值方法，将局部模型插值获得的位移直接加载到胶粘剂单元上，其主要缺点是三角形插值方法插值精度相对较低，位移直接加载到胶粘剂单元上会存在应力集中情况。

技术实现要素：

本发明设计开发了基于RS映射的高速动车侧窗模型边界位移计算方法，本发明的发明目的是通过四边形RS映射对局部模型边界位移进行插值计算，并且将插值获得的位移值施加到侧围局部模型上，得到侧窗边界局部模型中的位移值。

本发明设计开发了基于RS映射的高速动车侧窗粘接强度计算方法，本发明的发明目的是通过侧窗局部模型任意点的位移加载得到侧窗局部模型，进行粘接强度分析。

本发明提供的技术方案为：

基于RS映射的高速动车侧窗模型边界位移计算方法，包括：

获得各个工况下高速动车的整体模型中指定点的位移以及坐标，在侧窗形成的局部模型边界上选取任意一点进行位移插值参数计算；

根据所述位移插值参数以及所述指定点的位移获得所述局部模型边界上任意点的位移；

其中，所述位移插值参数r,s通过以下公式计算得出

x₀为所述局部模型边界上选取任意点O的X方向坐标，y₀为所述局部模型边界上选取任意点O的Y方向坐标，x_A,x_B,x_C,x_D为在所述整体模型上四边形的四个顶点的X方向坐标，y_A,y_B,y_C,y_D为在所述整体模型上四边形的四个顶点的Y方向坐标，其中，所述任意点O点落在所述四边形内部或者边上；

所述局部模型边界上任意点的位移通过一下公式计算得出

D_XO＝0.25×[(1-r)(1-s)D_XA+(1+r)(1-s)D_XB+(1+r)(1+s)D_XC+(1-r)(1+s)D_XD]；

D_YO＝0.25×[(1-r)(1-s)D_YA+(1+r)(1-s)D_YB+(1+r)(1+s)D_YC+(1-r)(1+s)D_YD]；

D_ZO＝0.25×[(1-r)(1-s)D_ZA+(1+r)(1-s)D_ZB+(1+r)(1+s)D_ZC+(1-r)(1+s)D_ZD]；

R_XO＝0.25×[(1-r)(1-s)R_XA+(1+r)(1-s)R_XB+(1+r)(1+s)D_XC+(1-r)(1+s)R_XD]；

R_YO＝0.25×[(1-r)(1-s)R_YA+(1+r)(1-s)R_YB+(1+r)(1+s)R_YC+(1-r)(1+s)R_YD]；

R_ZO＝0.25×[(1-r)(1-s)R_ZA+(1+r)(1-s)R_ZB+(1+r)(1+s)R_ZC+(1-r)(1+s)R_ZD]；

式中，D_XO,D_YO,D_ZO分别为所述局部模型边界上任意点O的XYZ三个方向上平动位移，R_XO,R_YO,R_ZO分别为所述局部模型边界上任意点O的XYZ三个方向上转动位移，D_XA,D_XB,D_XC,D_XD为所述整体模型上四边形的四个顶点的X方向平动位移，D_YA,D_YB,D_YC,D_YD为所述整体模型上四边形的四个顶点的Y方向平动位移，D_ZA,D_ZB,D_ZC,D_ZD为所述整体模型上四边形的四个顶点的Z方向平动位移，R_XA,R_XB,R_XC,R_XD为所述整体模型上四边形的四个顶点的X方向转动位移，R_YA,R_YB,R_YC,R_YD为所述整体模型上四边形的四个顶点的Y方向转动位移，R_ZA,R_ZB,R_ZC,R_ZD为所述整体模型上四边形的四个顶点的Z方向转动位移，其中，所述任意点O点落在所述四边形内部或者边上。

优选的是，所述各个工况包括最大垂载工况。

优选的是，在所述整体模型上四边形的确定方式通过如下步骤：

步骤一、以所述局部模型边界上选取任意点，搜索所述整体模型上离所述任意点最近的指定点，其为初始指定点；

步骤二、在所述整体模型上搜索所述初始指定点所在的四边形，依次判断所述任意点是否落在所述四边形内或者边上；

步骤三、确定所述任意点落在所述四边形内或者边上的四边形为目标四边形，确定所述目标四边形的四个顶点的坐标值以及位移值。

优选的是，所述局部模型包含部分侧围，所述侧围宽度为95mm～110mm。

优选的是，所述局部模型包含侧围，所述侧围宽度为100mm。

基于RS映射的高速动车侧窗粘接强度计算方法，包括所述的侧窗模型边界位移计算方法，并且将任意点的位移加载到侧窗的局部模型上，进行强度分析计算得到侧窗结构胶粘剂的应力与变形。

优选的是，所述各个工况包括最大垂载工况。

优选的是，在所述整体模型上四边形的确定方式通过如下步骤：

步骤一、以所述局部模型边界上选取任意点，搜索所述整体模型上离所述任意点最近的指定点，其为初始指定点；

步骤二、在所述整体模型上搜索所述初始指定点所在的四边形，依次判断所述任意点是否落在所述四边形内或者边上；

步骤三、确定所述任意点落在所述四边形内或者边上的四边形为目标四边形，确定所述目标四边形的四个顶点的坐标值以及位移值。

优选的是，所述局部模型包含侧围，所述侧围宽度为100mm。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明建立的侧窗局部有限元模型包含部分车体侧围，将插值获得的位移施加在车体侧围上，远离侧窗粘接结构，根据圣维南原理，约束对侧窗胶粘剂影响很小，胶粘剂的分析精度高；

2、本发明采用四边形RS映射插值的方法获得侧窗局部有限元模型边界节点上的位移，与三角形插值相比，插值精度更高；

3、传统的粘接强度计算方法要实现侧窗的精细化分析，需要采用小尺寸单元建立有限元模型，单元数量巨大，对计算机硬件要求高；本文提出的粘接强度计算方法整体模型采用大尺寸单元，侧窗局部模型采用小尺寸单元，单元数量少，计算效率高，分析精度高，可行性好。

附图说明

图1为车体、胶粘剂、窗框、玻璃结构示意图。

图2为侧窗局部精细化结构(含部分侧围)示意图。

图3为四边形插值示意图。

图4为动车车体与侧窗整体有限元模型。

图5为动车车体与侧窗整体有限元模型在最大垂载工况下的变形图。

图6为侧窗(含部分车体侧围)的局部精细化有限元模型。

图7为侧窗胶粘剂的应力云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1

本发明提供了基于RS映射的高速动车侧窗粘接强度计算方法，具体步骤如下：

步骤一：采用较大单元尺寸建立车体与侧窗的整体模型，其中，侧窗模型与XY平面平行，在整体模型中划分网格，选取模型的坐标原点位于地面上，前后位置的中点，并且位于动车左右对称的轴线上；

步骤二：在动车的各个工况下进行强度分析，测得整体模型中指定点的位移；假设指定点A在XYZ三个方向的平动位移和转动位移为D_XA、D_YA、D_ZA、R_XA、R_YA、R_ZA，同理，指定点B、C、D在XYZ方向的平动位移和转动位移分别为D_XB、D_YB、D_ZB、R_XB、R_YB、R_ZB、D_XC、D_YC、D_ZC、R_XC、R_YC、R_ZC、D_XD、D_YD、D_ZD、R_XD、R_YD、R_ZD；其中，各个工况包括最大垂载工况、纵向压缩与垂载组合、枕外两端抬车三种工况；

步骤三：采用较小单元建立侧窗的局部精细化模型，其中，侧窗模型与XY平面平行，该精细化模型四周包含部分侧围，侧围宽度均为L(如图2所示)，一般L为100mm左右；

步骤四：以侧窗局部模型边界上的任意一点O(x_o,y_o,z_o)为例进行位移插值，如图3所示，搜索整体模型上离任意点O最近的指定点，命名为指定点A；

步骤五：在整体模型上搜索指定点A所在的四边形，命名为四边形1、2、3、4……；依次判断任意点O是否落在四边形内或者边上，若任意点O落在四边形内或者边上，则进行下一步骤，否则继续判断；

步骤六：假设四边形单元的四点坐标分别为A(x_A,y_A,z_A)，B(x_B,y_B,z_B)，C(x_C,y_C,z_C)，D(x_D,y_D,z_D)，设插值参数r,s,考虑到侧窗位于XY平面，求解下列两个方程即可获得r,s：

式中，x₀为局部模型边界上选取任意点O的X方向坐标，y₀为局部模型边界上选取任意点O的Y方向坐标，x_A,x_B,x_C,x_D为在整体模型上四边形的四个顶点的X方向坐标，y_A,y_B,y_C,y_D为在整体模型上四边形的四个顶点的Y方向坐标；

步骤七：根据步骤二获得的指定点A、B、C、D四点的平动位移和转动位移，即可进行四边形插值任意点O的平动位移和转动位移：

D_XO＝0.25×[(1-r)(1-s)D_XA+(1+r)(1-s)D_XB+(1+r)(1+s)D_XC+(1-r)(1+s)D_XD]；

D_YO＝0.25×[(1-r)(1-s)D_YA+(1+r)(1-s)D_YB+(1+r)(1+s)D_YC+(1-r)(1+s)D_YD]；

D_ZO＝0.25×[(1-r)(1-s)D_ZA+(1+r)(1-s)D_ZB+(1+r)(1+s)D_ZC+(1-r)(1+s)D_ZD]；

R_XO＝0.25×[(1-r)(1-s)R_XA+(1+r)(1-s)R_XB+(1+r)(1+s)D_XC+(1-r)(1+s)R_XD]；

R_YO＝0.25×[(1-r)(1-s)R_YA+(1+r)(1-s)R_YB+(1+r)(1+s)R_YC+(1-r)(1+s)R_YD]；

R_ZO＝0.25×[(1-r)(1-s)R_ZA+(1+r)(1-s)R_ZB+(1+r)(1+s)R_ZC+(1-r)(1+s)R_ZD]；

式中，式中，D_XO,D_YO,D_ZO分别为局部模型边界上任意点O的XYZ三个方向上平动位移，R_XO,R_YO,R_ZO分别为局部模型边界上任意点O的XYZ三个方向上转动位移，D_XA,D_XB,D_XC,D_XD为整体模型上四边形的四个顶点的X方向平动位移，D_YA,D_YB,D_YC,D_YD为整体模型上四边形的四个顶点的Y方向平动位移，D_ZA,D_ZB,D_ZC,D_ZD为整体模型上四边形的四个顶点的Z方向平动位移，R_XA,R_XB,R_XC,R_XD为整体模型上四边形的四个顶点的X方向转动位移，R_YA,R_YB,R_YC,R_YD为整体模型上四边形的四个顶点的Y方向转动位移，R_ZA,R_ZB,R_ZC,R_ZD为整体模型上四边形的四个顶点的Z方向转动位移；

步骤八：根据步骤四到步骤七，获得侧窗局部模型边界上所有任意点在XYZ方向的平动与转动位移；

步骤九：将插值获得的位移，加载到步骤三建立的侧窗局部模型边界上，进行强度分析，获得侧窗胶粘剂的应力与变形。

本发明提供了基于RS映射的高速动车侧窗粘接强度计算方法，具体步骤如下：

步骤一：采用较大单元尺寸建立车体与侧窗的整体模型，其中，侧窗模型与XY平面平行，如图1所示，车体100、窗框300和玻璃500采用四边形壳单元，窗框300与车体100的胶粘剂200以及玻璃500与窗框300的胶粘剂400均采用六面体单元，选取模型的坐标原点位于地面上，前后位置的中点，并且位于动车左右对称的轴线上；

步骤二：在最大垂载工况下进行强度分析，获得整体模型指定点的位移，其变形图如图5所示；假设指定点A在XYZ三个方向的平动位移和转动位移为D_XA、D_YA、D_ZA、R_XA、R_YA、R_ZA，同理，指定点B、C、D在XYZ方向的平动位移和转动位移分别为D_XB、D_YB、D_ZB、R_XB、R_YB、R_ZB、D_XC、D_YC、D_ZC、R_XC、R_YC、R_ZC、D_XD、D_YD、D_ZD、R_XD、R_YD、R_ZD；

步骤三：采用较小单元建立侧窗(含部分车体侧围)的局部精细化模型，其中，侧窗模型与XY平面平行，侧围宽度为100mm；

步骤四：以侧窗局部模型边界上的任意点O(-978,1886,1576)为例进行位移插值，如图3所示，搜索整体模型上离任意点O最近的指定点，命名为指定点A；

步骤五：搜索指定点A所在的四边形，命名为四边形1、2、3、4……；经过判断指定点O落在四边形ABCD内，则进行下一步骤；

步骤六：整体模型四边形单元的四点坐标分别为A(-915,1829,157，6)B(-993,1829,1576)，C(-993,1911,1576)，D(-915,1911,1576)，设插值参数r,s,考虑到侧窗位于XY平面，求解下列两个方程即可获得r＝0.602,s＝0.382：

步骤七：根据步骤二获得的指定A点平动和转动位移为D_XA＝-0.814mm、D_YA＝-10.2mm、D_ZA＝-4.94mm、R_XA＝-4.32、R_YA＝0.388、R_ZA＝-0.201，同理，指定点B、C、D在XYZ方向的平动位移和转动位移分别为D_XB＝-0.816mm、D_YB＝-10.2mm、D_ZB＝-4.90mm、R_XB＝-3.72、R_YB＝0.493、R_ZB＝-0.282、D_XC＝-0.821mm、D_YC＝-10.2mm、D_ZC＝-5.30mm、R_XC＝-5.21、R_YC＝0.973、R_ZC＝-0.122、D_XD＝-0.820mm、D_YD＝-10.2mm、D_ZD＝-5.37mm、R_XD＝-5.52、R_YD＝0.734、R_ZD＝-0.169；进行四边形插值获得点O的平动位移和转动位移：D_XO＝-0.819mm，D_YO＝-10.2mm，D_ZO＝-5.19mm，R_XO＝-4.83，R_YO＝0.786，R_ZO＝-0.173；

步骤八：根据步骤四到步骤七，获得侧窗局部模型边界上所有指定点在XYZ方向的平动与转动位移；

步骤九：将插值获得的位移，加载到步骤三建立的侧窗局部模型边界上，进行强度分析，获得侧窗胶粘剂的最大应力为0.497MPa，最大变形为12mm，如图7所示。

实施例2

本发明提供了基于RS映射的高速动车侧窗粘接强度计算方法，具体步骤如下：

步骤一：采用较大单元尺寸建立车体与侧窗的整体有限元模型，其中，侧窗模型与XY平面平行，车体、窗框和玻璃采用四边形壳单元，胶粘剂采用六面体单元，选取模型的坐标原点位于地面上，前后位置的中点，并且位于动车左右对称的轴线上；

步骤二：在动车的各个工况下进行强度分析，获得整体有限元模型单元节点的位移；假设节点A在XYZ三个方向的平动位移和转动位移为D_XA、D_YA、D_ZA、R_XA、R_YA、R_ZA，同理，节点B、C、D在XYZ方向的平动位移和转动位移分别为D_XB、D_YB、D_ZB、R_XB、R_YB、R_ZB、D_XC、D_YC、D_ZC、R_XC、R_YC、R_ZC、D_XD、D_YD、D_ZD、R_XD、R_YD、R_ZD；其中，各个工况包括最大垂载工况、纵向压缩与垂载组合、枕外两端抬车三种工况；

步骤三：采用较小单元建立侧窗的局部精细化有限元模型，其中，侧窗模型与XY平面平行，该精细化模型四周包含部分侧围，其中，侧窗模型与XY平面平行，侧围宽度均为L(如图2所示)，一般L为100mm左右；

步骤四：以侧窗局部有限元模型边界上的任意点O(x_o,y_o,z_o)为例进行位移插值，如图3所示，搜索整体有限元模型上离节点O最近的节点，命名为节点A；

步骤五：在整体有限元模型上搜索节点A所在的四边形，命名为四边形1、2、3、4……；依次判断节点O是否落在四边形内或者边上，若节点O落在四边形内或者边上，则进行下一步骤，否则继续判断；

步骤六：假设四边形单元的四点坐标分别为A(x_A,y_A,z_A)，B(x_B,y_B,z_B)，C(x_C,y_C,z_C)，D(x_D,y_D,z_D)，设插值参数r,s,考虑到侧窗位于XY平面，求解下列两个方程即可获得r,s：

式中，x₀为局部有限元模型边界上选取任意点O的X方向坐标，y₀为局部有限元模型边界上选取任意点O的Y方向坐标，x_A,x_B,x_C,x_D为在整体有限元模型上四边形的四个顶点的X方向坐标，y_A,y_B,y_C,y_D为在整体有限元模型上四边形的四个顶点的Y方向坐标；

步骤七：根据步骤二获得的节点A、B、C、D四点的平动位移和转动位移，即可进行四边形插值获得点O的平动位移和转动位移：

D_XO＝0.25×[(1-r)(1-s)D_XA+(1+r)(1-s)D_XB+(1+r)(1+s)D_XC+(1-r)(1+s)D_XD]；

D_YO＝0.25×[(1-r)(1-s)D_YA+(1+r)(1-s)D_YB+(1+r)(1+s)D_YC+(1-r)(1+s)D_YD]；

D_ZO＝0.25×[(1-r)(1-s)D_ZA+(1+r)(1-s)D_ZB+(1+r)(1+s)D_ZC+(1-r)(1+s)D_ZD]；

R_XO＝0.25×[(1-r)(1-s)R_XA+(1+r)(1-s)R_XB+(1+r)(1+s)D_XC+(1-r)(1+s)R_XD]；

R_YO＝0.25×[(1-r)(1-s)R_YA+(1+r)(1-s)R_YB+(1+r)(1+s)R_YC+(1-r)(1+s)R_YD]；

R_ZO＝0.25×[(1-r)(1-s)R_ZA+(1+r)(1-s)R_ZB+(1+r)(1+s)R_ZC+(1-r)(1+s)R_ZD]；

式中，式中，D_XO,D_YO,D_ZO分别为局部有限元模型边界上任意点O的XYZ三个方向上平动位移，R_XO,R_YO,R_ZO分别为局部有限元模型边界上任意点O的XYZ三个方向上转动位移，D_XA,D_XB,D_XC,D_XD为整体有限元模型上四边形的四个顶点的X方向平动位移，D_YA,D_YB,D_YC,D_YD为整体有限元模型上四边形的四个顶点的Y方向平动位移，D_ZA,D_ZB,D_ZC,D_ZD为整体有限元模型上四边形的四个顶点的Z方向平动位移，R_XA,R_XB,R_XC,R_XD为整体有限元模型上四边形的四个顶点的X方向转动位移，R_YA,R_YB,R_YC,R_YD为整体有限元模型上四边形的四个顶点的Y方向转动位移，R_ZA,R_ZB,R_ZC,R_ZD为整体有限元模型上四边形的四个顶点的Z方向转动位移；

步骤八：根据步骤四到步骤七，获得侧窗局部有限元模型边界上所有节点在XYZ方向的平动与转动位移；

步骤九：将插值获得的位移，加载到步骤三建立的侧窗局部有限元模型边界上，进行强度分析，获得侧窗胶粘剂的应力与变形；

其中，在本实施例中，仿真软件为Patran&Nastran 2010，运行平台为win764bit，将位移导入步骤三建立的侧窗局部模型，加载侧窗局部模型所受的重力加速度、压力，选择软件中线性分析方法对侧窗局部进行强度分析。

如图1～7所示，本发明提供了基于RS映射的高速动车侧窗粘接强度计算方法，具体步骤如下：

步骤一：采用较大单元尺寸建立车体与侧窗的整体有限元模型，其中，侧窗模型与XY平面平行，如图1、图4所示，车体100、窗框300和玻璃500采用四边形壳单元，窗框300与车体100的胶粘剂200以及玻璃500与窗框300的胶粘剂400均采用六面体单元，选取模型的坐标原点位于地面上，前后位置的中点，并且位于动车左右对称的轴线上；

步骤二：在最大垂载工况下进行强度分析，获得整体有限元模型单元节点的位移，其变形图如图5所示；假设节点A在XYZ三个方向的平动位移和转动位移为D_XA、D_YA、D_ZA、R_XA、R_YA、R_ZA，同理，节点B、C、D在XYZ方向的平动位移和转动位移分别为D_XB、D_YB、D_ZB、R_XB、R_YB、R_ZB、D_XC、D_YC、D_ZC、R_XC、R_YC、R_ZC、D_XD、D_YD、D_ZD、R_XD、R_YD、R_ZD；

步骤三：采用较小单元建立侧窗(含部分车体侧围)的局部精细化有限元模型，其中，侧窗模型与XY平面平行，如图6所示，侧围宽度为100mm；

步骤四：以侧窗局部有限元模型边界上的任意点O(-978,1886,1576)为例进行位移插值，如图3所示，搜索整体有限元模型上离节点O最近的节点，命名为节点A；

步骤五：搜索节点A所在的四边形，命名为四边形1、2、3、4……；经过判断节点O落在四边形ABCD内，则进行下一步骤；

步骤六：整体有限元模型四边形单元的四点坐标分别为A(-915,1829,1576)，B(-993,1829,1576)，C(-993,1911,1576)，D(-915,1911,1576)，设插值参数r,s,考虑到侧窗位于XY平面，求解下列两个方程即可获得r＝0.602,s＝0.382：

步骤七：根据步骤二获得的A点平动和转动位移为D_XA＝-0.814mm、D_YA＝-10.2mm、D_ZA＝-4.94mm、R_XA＝-4.32、R_YA＝0.388、R_ZA＝-0.201，同理，节点B、C、D在XYZ方向的平动位移和转动位移分别为D_XB＝-0.816mm、D_YB＝-10.2mm、D_ZB＝-4.90mm、R_XB＝-3.72、R_YB＝0.493、R_ZB＝-0.282、D_XC＝-0.821mm、D_YC＝-10.2mm、D_ZC＝-5.30mm、R_XC＝-5.21、R_YC＝0.973、R_ZC＝-0.122、D_XD＝-0.820mm、D_YD＝-10.2mm、D_ZD＝-5.37mm、R_XD＝-5.52、R_YD＝0.734、R_ZD＝-0.169；进行四边形插值获得点O的平动位移和转动位移：D_XO＝-0.819mm，D_YO＝-10.2mm，D_ZO＝-5.19mm，R_XO＝-4.83，R_YO＝0.786，R_ZO＝-0.173；

步骤八：根据步骤四到步骤七，获得侧窗局部有限元模型边界上所有节点在XYZ方向的平动与转动位移；

步骤九：将插值获得的位移，加载到步骤三建立的侧窗局部有限元模型边界上，进行强度分析，获得侧窗胶粘剂的最大应力为0.497MPa，最大变形为12mm，如图7所示；

其中，在本实施例中，仿真软件为Patran&Nastran 2010，运行平台为win764bit，将位移导入步骤三建立的侧窗局部模型，加载侧窗局部模型所受的重力加速度、压力，选择软件中线性分析方法对侧窗局部进行强度分析。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。