程建峰 林建軍

動車組設備艙結(jié)構有限元分析及優(yōu)化

程建峰 林建軍

采用有限元方法分析動車組設備艙結(jié)構在典型受載條件下的靜強度，揭示典型動車組設備艙結(jié)構的薄弱部位；對比裙板彎鉤過渡段加筋式與加厚式優(yōu)化方案應力分布，提出提升裙板結(jié)構強度的更優(yōu)設計形式；對比骨架結(jié)構腹板增厚前后應力分布特征，提出設備艙骨架結(jié)構改進方案；評定優(yōu)化后設備艙結(jié)構靜強度結(jié)果，為動車組設備艙結(jié)構分析與設計提供參考。

動車組；設備艙；裙板；強度分布；有限元

動車組設備艙結(jié)構是安裝于車下部位用以減小列車運行時的空氣阻力、加強對車下懸掛裝置的保護的專用車體部件。由于動車組運行線路復雜多樣，車下環(huán)境惡劣多變，設備艙必須具有較好的結(jié)構特性才能滿足其高速運行時的強度要求，保證車下設備的正常功用。目前針對設備艙的研究工作主要著眼于其系統(tǒng)與組成部件的設計[1-4]，采用通用有限元分析軟件[5-6]，建立設備艙裙板及骨架數(shù)值仿真模型，開展相應的強度分析與結(jié)構優(yōu)化工作。

1 設備艙結(jié)構特點及有限元建模

設備艙整體構造見圖1（a），主要由裙板、底板、骨架和端板4部分組成，整體為箱形全封閉結(jié)構，采用框架式骨架承載。依據(jù)其功用的不同，設備艙裙板又分為排風、進風、滑窗、全密封4類。排風裙板設有排風窗口（見圖1（b）），進風裙板設有濾網(wǎng)和迷宮結(jié)構，滑窗裙板主要用于水箱添水。裙板呈弧狀分布于設備艙兩側(cè)，底部經(jīng)弧形掛鉤連接于骨架邊梁，上端通過螺栓固定于車體邊梁，以便于安裝和檢修，其幾何斷面見圖1（c）。其骨架（見圖1（d））包括骨架邊梁、中部骨架、骨架立柱、端部蓋板托架等部件，經(jīng)其將各節(jié)艙體連接成連貫的整體。骨架邊梁分布于設備艙兩側(cè)，與裙板相連接，中部骨架橫向放置，分隔開車底設備。骨架立柱為工字形截面，頂端吊掛于車體底架邊梁。底板由鋁合金型材構成，分段以滑槽方式嵌套于中部骨架中。

設備艙為一節(jié)一節(jié)循環(huán)相扣的節(jié)式連接結(jié)構，且每節(jié)結(jié)構的幾何構型基本一致，因此選取跨度最大的單節(jié)設備艙進行有限元建模，選用SHELL181單元進行網(wǎng)格離散，該模型共有79 393個節(jié)點，90 732個單元，離散模型見圖2。

圖1 設備艙結(jié)構幾何模型

圖2 帶滑窗裙板的單節(jié)設備艙離散模型

設備艙所用材料為A6N01S鋁型材，密度2．53× 10-6kg/mm3，彈性模量68 GPa，泊松比0．3，屈服極限230 MPa。在建模過程中，對設備艙裙板和骨架立柱上螺栓安裝處的節(jié)點進行完全約束。

2 設備艙強度分析方法及結(jié)果

2.1 工況分析

基于EN 12663[7]鐵道車輛結(jié)構要求，對設備艙結(jié)構依表1所示載荷工況進行靜強度計算，考核結(jié)構的應力分布。按安全系數(shù)1．6考慮，其許用應力為143 MPa。

2.2 評價標準

根據(jù)EN 12663規(guī)范要求，在各工況對應的受載條件下，設備艙結(jié)構內(nèi)部的Von Mises應力應滿足許用應力評定的要求。

2.3 仿真結(jié)果

對比各載荷工況可以發(fā)現(xiàn)，垂向動載荷為靜載荷的1．5倍，兩種氣動載荷形式相似，因而此部分研究僅選取II、III、IV三處典型工況進行加載，各工況等效應力極值及其出現(xiàn)的位置見表2。典型的代表性應力云圖見圖3（工況IV）。計算結(jié)果表明，設備艙在氣動載荷下呈現(xiàn)較大的應力，裙板上彎鉤與裙板主板轉(zhuǎn)角處及骨架上立柱與中部骨架轉(zhuǎn)角處存在較大應力，應對裙板和骨架開展相應的結(jié)構優(yōu)化。

表1 載荷工況

表2 單節(jié)跨度最大設備艙等效應力結(jié)果

圖3 工況IV下的應力云圖

3 設備艙結(jié)構強度數(shù)值仿真優(yōu)化

3.1 設備艙裙板結(jié)構優(yōu)化

采用加筋與加厚形式改進裙板上彎鉤與裙板主板轉(zhuǎn)角處的局部結(jié)構，具體方案見圖4，其技術思路是通過增加結(jié)構剛度減小其局部應力。方案（a）即為在裙板掛鉤和主板連接處增加三角過渡，形成加筋結(jié)構；方案（b）即通過增加折彎處板厚，由原始3 mm增加至6 mm，基本結(jié)構不變?？紤]到設備艙在氣動載荷下有較大應力，在氣動載荷工況下分別對3種類型裙板進行結(jié)構強度分析，得到相應的等效應力結(jié)果（見表3）。

圖4 裙板結(jié)構優(yōu)化方案

計算結(jié)果對比表明優(yōu)化后方案比優(yōu)化前其應力明顯改善，兩種優(yōu)化方式的應力結(jié)果差別不大，考慮到方案（a）的工藝較方案（b）復雜，因而采用方案（b）的改進方案，增加折彎處板厚，改善局部應力。優(yōu)化前后的對比結(jié)果見圖5。

3.2 設備艙骨架結(jié)構優(yōu)化

骨架最大應力出現(xiàn)在骨架立柱與中部骨架連接處，為減小骨架的最大應力，對立柱與中部骨架連接處進行優(yōu)化，在骨架工字形截面的中間肋板兩側(cè)增加腹板，即增加中間腹板厚度。對比優(yōu)化前后設備艙骨架在氣動載荷作用下的等效應力分布，所得結(jié)果見表4?？梢姡羌軆?yōu)化后應力明顯減小，最大應力位置仍為骨架立柱與中部骨架連接處，增加的骨架腹板很好地改善了立柱與中部骨架的應力。

表3 裙板優(yōu)化前后應力結(jié)果比較

4 設備艙結(jié)構靜強度評定

對優(yōu)化后的設備艙整體結(jié)構進行垂向載荷、縱向沖擊載荷、空氣氣動載荷等5種工況下強度進行分析，所得應力結(jié)果見表5?？梢?，優(yōu)化后的設備艙結(jié)構在垂直載荷工況、縱向沖擊工況、空氣氣動載荷工況下，其最大等效應力為67．05 MPa，小于相應材料的許用應力143 MPa，設備艙滿足標準規(guī)范的靜強度要求。

圖5 裙板應力云圖

表4 優(yōu)化前后骨架應力結(jié)果比較

表5 優(yōu)化后設備艙等效應力計算結(jié)果

5 結(jié)論

采用有限元方法，分析了靜載作用下動車組設備艙裙板、骨架優(yōu)化前后的應力分布，并對優(yōu)化后的設備艙整體結(jié)構進行強度校核，得到以下結(jié)論：（1）在垂直靜載荷、縱向沖擊、空氣氣動載荷工況下，通過對設備艙結(jié)構的有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)裙板彎鉤過渡處及骨架立柱與中部骨架連接處為其薄弱部位。（2）針對裙板及骨架的薄弱部位，提出了對應的改進方案，分析得出裙板采用增厚式優(yōu)化結(jié)構較好，骨架腹板增厚可有效降低其應力水平。（3）優(yōu)化前后的設備艙滿足其靜強度要求，整體強度得到明顯提升，建議采用改進后設備艙結(jié)構形式。

[1] 王照杰． 200 km/h不銹鋼客車車下設備艙設計探討[J]．鐵道車輛，2011，49(8)：18-20．

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程建峰：南車青島四方機車車輛股份有限公司，高級工程?師，山東?青島，?266111

林建軍：中南大學交通運輸工程學院，碩士研究生，湖南 長沙，410075

責任編輯 楊環(huán)

U268.5

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