馬紀軍，楊 帥，于金朋，宿 崇

(1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000;2.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116028)*

0 引言

目前我國動車組運營速度達到300 km/h以上，如此高的運行速度要求其必須比普通列車具有更高的安全可靠性［1-2］.因此，動車組車體從設(shè)計、選材到制造的各個環(huán)節(jié)都有極為嚴格要求.動車組車體材料為鋁合金，這符合高速列車輕量化的發(fā)展需求，然而也易于出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強度不足的問題.車體懸掛設(shè)備是確保動車組正常運行的重要功能部件，通常通過吊裝結(jié)構(gòu)固定在車體上，工作狀態(tài)下懸掛設(shè)備隨車體產(chǎn)生隨機振動，振動沖擊載荷通過吊裝結(jié)構(gòu)傳遞到車體上［3-5］.交變的沖擊載荷將使車體承載部位產(chǎn)生疲勞損傷，為列車的安全運行帶來隱患.因此在設(shè)計車體懸掛設(shè)備時，需對相應(yīng)的車體承載部位進行強度校核，以確保其運行可靠性.本文采用有限元法，對某型動車組車頂凈水箱吊裝設(shè)備振動沖擊下的車體C型槽結(jié)構(gòu)疲勞強度進行仿真計算，以此來分析吊裝設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性.

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1 載荷工況分析

某型動車組凈水箱及其吊裝組件結(jié)構(gòu)如圖1所示.該凈水箱安裝于車頂區(qū)域，用于給各用水點供水.凈水箱通過過渡梁組件吊裝在車體C型槽上，水箱支架和過渡梁之間通過螺栓連接.水箱裝滿水后的總重為340 kg.動車組運行時，由水箱振動而產(chǎn)生的沖擊載荷將通過螺栓連接組件傳遞到車體C型槽上.

圖1 凈水箱及其吊裝組件

根據(jù)EN12663標(biāo)準規(guī)定的車體附加設(shè)備載荷取值規(guī)范確定凈水箱吊裝設(shè)備的工作載荷工況，如表1所示.根據(jù)該載荷工況，采用有限元仿真計算出各連接螺栓的承載力，計算結(jié)果表明，中間吊座的外側(cè)螺栓承載力及其變化范圍最大，因此可以取其作為C型槽疲勞強度計算載荷，如表2所示.

表1 工作載荷計算組合工況

表2 螺栓承載力

2 工作載荷下結(jié)構(gòu)靜強度分析

2.1 有限元模型

為簡化模型節(jié)省計算資源，同時保留結(jié)構(gòu)細節(jié)，C型槽圓角部位采用實體單元建模，而其它厚度均勻部位則可通過提取中性面，并采用殼單元建模，如圖2所示.實體單元和殼單元之間需定義綁定接觸.由于實體單元和殼單元連接處的應(yīng)力過渡與統(tǒng)一單元相比存在一定的偏差，所以在連接處定義了過渡單元.選擇過渡單元時應(yīng)避開結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的部位及重點關(guān)注部位.滑塊采用殼單元建模，滑塊與C型槽之間通過剛性單元連接，以實現(xiàn)力學(xué)參數(shù)的傳遞.載荷施加于滑塊螺栓孔中心的質(zhì)量單元，通過縱向Fx、橫向Fy以及垂向Fz三個方向的載荷實現(xiàn)加載.

假定各載荷工況出現(xiàn)頻率相同的情況下，根據(jù)表2構(gòu)造出C型槽承載載荷歷程，如圖7所示.采用Fe-safe軟件進行疲勞壽命計算，預(yù)先設(shè)定結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命為1.0×107.計算結(jié)果表明，C型槽的疲勞壽命大于1.0×107循環(huán)，最小安全系數(shù)為13.625，這表明在凈水箱的振動沖擊載荷下，在指定的設(shè)計壽命內(nèi)C型槽結(jié)構(gòu)不會發(fā)生疲勞破壞.

圖2 實體單元－殼單元混合模型

車體材料為鋁合金，其物理力學(xué)特性如下:密度為2.7e-6 kg/mm3;彈性模量為7e4 MPa;泊松比為0.3;屈服強度為215 MPa;極限拉伸強度為400 MPa.

2.2 計算結(jié)果分析

圖4所示為結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)注部位應(yīng)力分布情況.由圖可見，結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力集中的部位出現(xiàn)在區(qū)域 A、B、C、D、E，這些區(qū)域主要為結(jié)構(gòu)的圓角或拐角部位，且處于結(jié)構(gòu)的中部，靠近載荷作用點，此外在滑塊與C型槽接觸的邊界位置也存在一定的應(yīng)力集中行為.提取應(yīng)力集中區(qū)域部分節(jié)點應(yīng)力值，如圖5所示，可見，在工況1載荷作用下，區(qū)域A、C應(yīng)力集中行為較為突出，最大值達到13.8 MPa，但遠小于材料的屈服強度215 MPa，表明結(jié)構(gòu)在正常運行工況下不會出現(xiàn)塑性破壞.

圖3 C型槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布(工況1)

圖4 C型槽疲勞關(guān)注部位應(yīng)力分布

圖5 應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力分布

分析表2可知，工況1時C型槽結(jié)構(gòu)承受載荷最大，因此選其作為C型槽靜強度計算載荷，計算結(jié)果如圖3所示.由圖可見，在殼單元和實體單元交接的部位應(yīng)力過渡存在一定的偏差，因此在進行結(jié)構(gòu)強度分析時，應(yīng)忽略此部位.

3 C型槽疲勞壽命仿真分析

3.1 材料疲勞特性估算

人們宣誓的日子到了！沒有尋到公雞，決定拿老山羊來代替。小伙子們把山羊抬著，在桿上四腳倒掛下去，山羊不住哀叫。二里半可笑的悲哀的形色跟著山羊走來。他的跛腳仿佛是一步一步把地面踏陷。波浪狀的行走，愈走愈快！他的老婆瘋狂地想把他拖回去，然而不能做到，二里半惶惶地走了一路。山羊被抬過一個山腰的小曲道。山羊被升上院心鋪好紅布的方桌。

圖6 鋁合金車體材料S-N曲線

3.2 仿真結(jié)果分析

大腦袋多多贊嘆了一句。那些在海藻之間穿行的圓的、扁的、呈放射狀的，硬殼的、軟體的，單色的、五彩繽紛的各種生物令他著迷。

在工程實踐中，對于沒有可用S-N曲線的材料，需要進行疲勞壽命計算時，一般可通過材料的疲勞與拉伸特性之間的經(jīng)驗關(guān)系式來估算S-N曲線.盡管它們之間的關(guān)系沒有充分的科學(xué)依據(jù)，但是已經(jīng)成為分析人員評估疲勞性能的重要依據(jù)［6］.目前，各類疲勞分析軟件均有相應(yīng)的評估方法，但使用的評估參數(shù)不盡相同.本文利用Fe-safe軟件，通過材料的彈性模量和極限抗拉強度(UTS)估算出鋁合金車體材料的疲勞特性曲線，如圖6所示.應(yīng)力水平與循環(huán)次數(shù)的對應(yīng)關(guān)系為:S(260.723 MPa，135.262 MPa)～ N(1.0 ×104，1.0 ×107).

圖7 C型槽結(jié)構(gòu)承載載荷歷程

圖8所示為結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)注單元的安全系數(shù)分布.可以看出，實體單元結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)較低的部位主要位于圓角處;殼體單元結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)較低的部位位于滑塊與C型槽接觸邊緣至結(jié)構(gòu)拐角之間.

數(shù)學(xué)課堂是小學(xué)生獲取數(shù)學(xué)知識、數(shù)學(xué)技能的關(guān)鍵性場所，實施有效教學(xué)策略至關(guān)重要。在新課改下，教師要深入分析小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中現(xiàn)實問題，科學(xué)實施可行的教學(xué)策略，實現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)學(xué)課堂教學(xué)，讓學(xué)生在輕松學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)課程知識過程中實現(xiàn)個性化與可持續(xù)發(fā)展，提高數(shù)學(xué)綜合素質(zhì)。

圖8 C型槽結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布

4 結(jié)論

本文采用有限元法對某型動車組車頂凈水箱吊裝設(shè)備振動沖擊下的車體C型槽疲勞強度進行仿真分析.考慮到計算效率與結(jié)構(gòu)的細節(jié)描述，采用實體單元與殼單元混合建模的方法建立C型槽結(jié)構(gòu)計算模型.假定各載荷工況出現(xiàn)頻率相同的情況下，根據(jù)吊裝組件連接螺栓的承載力構(gòu)造出 C型槽工作載荷歷程.采用 ANSYS/FESAFE疲勞分析軟件對工作載荷下C型槽結(jié)構(gòu)的靜強度與疲勞強度進行了仿真分析.仿真結(jié)果表明，在正常運行工況下，C型槽不會發(fā)生塑性破壞，且在指定設(shè)計壽命下(1.0×107次循環(huán))不會發(fā)生疲勞破壞.

［1］牽引動力國家重點實驗室.時速400公里高速檢測車車體與車下設(shè)備耦合振動分析［R］.成都:西南交通大學(xué)，2011.

［2］SCHUPP G，NETTER H，MAUER L，et al.Multibody System Simulation of Railway Vehicles with SIMPACK［J］.Vehicle System Dynamics Supplement，1999，31:101-118.

［3］王東屏，何正凱，李明高，等.動車組氣動阻力降阻優(yōu)化數(shù)值研究［J］.鐵道學(xué)報，2011，33(10):15-18.

［4］DIEDRICHS B.Aerodynamic Calculations of Crosswind Stability of a High-Speed Train Using Control Volumes of Arbitrary Polyhedral Shape［J］.Bluff Bodies Aerodynamics ＆Applications，2008，6:20-24.

［5］康洪軍，曾京，張衛(wèi)華，等.高速綜合檢測列車車體與車下設(shè)備耦合振動分析［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報，2011，35(6):62-66.

［6］周傳月，鄭紅霞，羅慧強.MSC.Fatigue疲勞分析應(yīng)用與實例［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.