李毅磊， 范樂(lè)天， 管全梅， 安曉玉， 付一娜

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司 轉(zhuǎn)向架分廠， 河北唐山 063035)

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動(dòng)車組車下設(shè)備安裝強(qiáng)度仿真與驗(yàn)證

李毅磊， 范樂(lè)天， 管全梅， 安曉玉， 付一娜

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司 轉(zhuǎn)向架分廠， 河北唐山 063035)

以某型動(dòng)車組車下設(shè)備安裝框架結(jié)構(gòu)為例，基于ANSYS 軟件進(jìn)行了有限元模型的創(chuàng)建，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663[1]確定了其載荷工況，完成了對(duì)框架及安裝座的強(qiáng)度仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果對(duì)動(dòng)車組車下設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義

動(dòng)車組； 安裝框架； 強(qiáng)度

隨著動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)速度的不斷提升，氣動(dòng)載荷對(duì)列車車體以及其附屬裝備的影響愈加明顯。車下設(shè)備及其安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否安全、可靠，對(duì)列車的安全服役具有重要意義。徐煉[2]等曾以CRH3型動(dòng)車組為例，提出了高速列車車下懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以某型動(dòng)車組制動(dòng)設(shè)備箱為例，對(duì)其安裝框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基于ANSYS的強(qiáng)度仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)其安全可靠性進(jìn)行了校核。

1 制動(dòng)設(shè)備箱模塊結(jié)構(gòu)

動(dòng)車組為了降低車輛重心，增加有效乘坐空間，重型設(shè)備一般都采取懸吊方式安裝在車輛下部并設(shè)置設(shè)備艙對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。以某型動(dòng)車組為例：車下設(shè)備包括廢排單元、輔助變流器、制動(dòng)設(shè)備艙箱、電池充電機(jī)，蓄電池箱、緊急車鉤和集便器等設(shè)備，如圖1所示。

圖1 車下設(shè)備排布

以典型的制動(dòng)設(shè)備箱做為研究對(duì)象。制動(dòng)設(shè)備箱模塊組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。整體框架為碳鋼材質(zhì)焊接構(gòu)件，符合空氣動(dòng)力學(xué)外形的裙板和底板通過(guò)螺栓固定在框架上，框架上部焊接有4個(gè)用碳鋼板折彎形成的支座，通過(guò)插接的方式與帶有橡膠減振元件的V型座固定，再整體與動(dòng)車組車體鋁合金底架邊梁剛性連接。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得高速運(yùn)行的動(dòng)車組，尤其是在明線交匯、進(jìn)出隧道甚至是隧道交匯的工況下，設(shè)備艙所承受的氣動(dòng)載荷將通過(guò)裙板底板傳遞給車下設(shè)備模塊承受而不再直接傳導(dǎo)給車體，從而大大減少了氣動(dòng)載荷對(duì)列車的影響，從而實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)(例如平穩(wěn)性、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌沖角等)的滿足[3]。

1.1 有限元模型建立

仿真分析旨在捕捉細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中情形，從靜力學(xué)角度評(píng)估細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力。要求有限元模型須包含細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)分析，首先要對(duì)其進(jìn)行精細(xì)建模，模型精細(xì)與否，對(duì)分析結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。本文以整個(gè)模塊為計(jì)算對(duì)象，采用大型通用有限元分析及處理軟件HYPERMESH及ANSYS建立有限元模型。結(jié)構(gòu)模型主要采用殼單元Shell181建立，用梁?jiǎn)卧M建立連接關(guān)系，但允許繞鎖軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

制動(dòng)設(shè)備箱結(jié)構(gòu)單元主要采用4節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元模擬主體結(jié)構(gòu)，用質(zhì)量元來(lái)模擬附加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及分布位置，同時(shí)通過(guò)RIGID單元或RBE3單元與相鄰的有限元結(jié)構(gòu)連接。在V型座等處較厚的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)的采用了六面體實(shí)體單元模擬。殼單元的尺寸(長(zhǎng)度)在大多數(shù)的結(jié)構(gòu)部件中的典型長(zhǎng)度約為10 mm, 而在更多的細(xì)化區(qū)域則要小一些，如裙板、底板殼單元的尺寸取10 mm，裙板支架殼單元的尺寸取5 mm，有的地方的單元長(zhǎng)度約為3 mm，如框架與安裝座連接部位，如圖3所示。整個(gè)計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)408 677，單元總數(shù)544 683。

圖2 制動(dòng)設(shè)備箱模塊結(jié)構(gòu)示意圖(含及不含設(shè)備艙)

采用有限元法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須在計(jì)算模型的某些節(jié)點(diǎn)上設(shè)置一定的約束條件，使方程組可解。有限元分析不但要適當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抽象，也要認(rèn)真考慮邊界條件，即所關(guān)心結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系。本次研究對(duì)象為設(shè)備艙及裙板支架，模型中考慮了上述研究對(duì)象的連接關(guān)系，選取一段車體邊梁作為支撐約束，在邊梁上表面施加垂向約束，在兩端施加橫向、縱向和轉(zhuǎn)動(dòng)約束。如圖3所示。

圖3 制動(dòng)設(shè)備箱模塊網(wǎng)格劃分和約束圖

1.2 載荷工況和材料屬性

考慮到制動(dòng)設(shè)備箱模塊在列車高速運(yùn)行過(guò)程中可能受到的載荷情形并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1-2010《鐵路設(shè)施-鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》[1]和TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[4]，給出了靜強(qiáng)度和疲勞載荷工況見表1。圖4為CRH3型動(dòng)車組在武廣線路運(yùn)行時(shí)列車隧道交匯時(shí)段的設(shè)備艙內(nèi)外的氣動(dòng)壓力數(shù)據(jù)圖，試驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)的仿真計(jì)算提供邊界條件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)最終得出列車在速度350 km/h時(shí)，設(shè)備艙最大內(nèi)外壓差1 721 Pa[2]，因此為保守計(jì)算采用3 000 Pa為加載氣動(dòng)載荷。

圖4 設(shè)備艙空氣動(dòng)載荷示意圖

疲勞強(qiáng)度載荷工況工況X向Y向Z向10．4g20．3g30．3g靜強(qiáng)度載荷工況工況X向Y向Z向氣動(dòng)載荷43g1g3g53g1g-1g6±3000Pa

制動(dòng)設(shè)備箱模塊總重3 565 kg，均分到4個(gè)V形安裝座上，V形安裝座自身重量10.9 kg，平均每個(gè)底座載重891.3 kg。

整個(gè)制動(dòng)設(shè)備箱模塊模型涉及3種材質(zhì)，分別是碳鋼、不銹鋼和鋁合金，密度分別是7 850，7 860，2 770 kg/m3；彈性模量分別是210，183，711 GPa；泊松比分別是0.3，0.3，0.33。其中框架選用的碳鋼和不銹鋼力學(xué)性能見表2。

表2 框架材料的力學(xué)性能

2 強(qiáng)度和模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度仿真計(jì)算

按表1中的6種載荷工況對(duì)制動(dòng)設(shè)備箱模塊框架進(jìn)行計(jì)算[5]，并對(duì)表中每個(gè)工況分別給出整體應(yīng)力云圖(Von Mises應(yīng)力)和局部應(yīng)力云圖(通常為較大應(yīng)力點(diǎn)處Von Mises應(yīng)力云圖及一些重要的應(yīng)力部位)。由于制動(dòng)設(shè)備箱模塊裙板長(zhǎng)度1 915.5 mm，裙板的外表面面積為3.790 m2，考慮3 kPa氣動(dòng)載荷，則作用于氣動(dòng)力為20 715 N，對(duì)于制動(dòng)設(shè)備箱模塊，氣動(dòng)載荷的影響占絕對(duì)主導(dǎo)地位。因此僅需重點(diǎn)考慮第1，2，3工況疲勞強(qiáng)度仿真分析和第6工況氣動(dòng)載荷的影響的靜強(qiáng)度仿真分析。

圖5 第1工況最大局部應(yīng)力云圖

圖6 第2工況最大局部應(yīng)力云圖

圖7 第3工況最大局部應(yīng)力云圖

圖8 第6工況整體應(yīng)力和最大局部應(yīng)力云圖

2.2 模態(tài)分析

為了解該模塊的固有頻率和振型，對(duì)該模塊進(jìn)行模態(tài)分析，提取結(jié)構(gòu)整體模態(tài)前五階振型，其振動(dòng)頻率見表3，結(jié)構(gòu)振型見圖9。

2.3 結(jié)果分析

由上述應(yīng)力計(jì)算結(jié)果結(jié)論如下：

(1)所有測(cè)點(diǎn)的合成應(yīng)力均小于其所用材質(zhì)相對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力。

(2)靜強(qiáng)度第6工況下，制動(dòng)設(shè)備箱模塊框架整體應(yīng)力水平在200 MPa以下，排除失真的螺栓連接處的最大應(yīng)力為342 MPa，發(fā)生在框架與V形座連接處；

(3)疲勞載荷第1，2，3工況下，制動(dòng)設(shè)備箱模塊局部最大應(yīng)力分別是26，22，36 MPa，分別發(fā)生在框架于V形座連接處和框架下部端角處；

表3 制動(dòng)設(shè)備箱模塊的固有頻率和振型 Hz

圖9 制動(dòng)設(shè)備箱模塊第一階振型圖(垂向擺動(dòng))

(4)根據(jù)EN 12663-1-2010和TB/T 1335-1996標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，各工況靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度主體結(jié)構(gòu)均滿足材料的屈服強(qiáng)度和疲勞極限要求。

2.4 關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)采集

依據(jù)該型動(dòng)車組項(xiàng)目靜強(qiáng)度試驗(yàn)大綱[6]的要求，需對(duì)部分零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)，其中車下懸吊結(jié)構(gòu)部件是試驗(yàn)的主要部分。為驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的同步性，按照大綱的關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)，在工況6下對(duì)其有限元計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的布置如圖10所示(僅考慮框架的應(yīng)力分布情況圖11所示)：

圖10 關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)布置圖

圖11 第6工況框架整體應(yīng)力云圖

按照?qǐng)D10的測(cè)點(diǎn)在工況6下在計(jì)算模型上進(jìn)行應(yīng)力數(shù)據(jù)的采集測(cè)量，合成應(yīng)力數(shù)值見表4。

表4 制動(dòng)設(shè)備箱模塊安裝框架數(shù)據(jù)匯總表 MPa

計(jì)算結(jié)果表明：所有測(cè)點(diǎn)的合成應(yīng)力均小于其所用材質(zhì)相對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力。

3 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)加載和測(cè)點(diǎn)布置

依據(jù)該型動(dòng)車組項(xiàng)目靜強(qiáng)度試驗(yàn)大綱，對(duì)部分零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)中將制動(dòng)設(shè)備箱模塊的框架按照動(dòng)車組上的安裝方式固定于模擬使用狀態(tài)的工裝上(見圖12)，使用加載裝置按表1中的工況6分別進(jìn)行X、Y、Z方向加載，同時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，測(cè)點(diǎn)布置圖按照大綱要求如圖10所示。

圖12 空壓機(jī)框架加載示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

各基本載荷作用下的應(yīng)力值及合成應(yīng)力值見表5[7]。

表5 制動(dòng)設(shè)備箱模塊模塊框架數(shù)據(jù)匯總表 MPa

從試驗(yàn)結(jié)果看最大合成應(yīng)力發(fā)生在測(cè)點(diǎn)201，其合成應(yīng)力值為129.6 MPa；試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力數(shù)據(jù)均小于其所用材質(zhì)相對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力。同時(shí)對(duì)比表4和5的大部分仿真數(shù)值和試驗(yàn)數(shù)值相差不到15%，而框架的整體應(yīng)力安全系數(shù)大于1.15%，證明有限元建模加載計(jì)算的手段同步性很高，從定性和定量上均可以較真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效支撐；

另外，103和403兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的仿真數(shù)值與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相差超過(guò)50%左右，此兩點(diǎn)受氣動(dòng)載荷影響比較直接，證明結(jié)構(gòu)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的工況反饋不是十分穩(wěn)定，存在一定的失真。后續(xù)仍需重點(diǎn)關(guān)注列車高速運(yùn)行時(shí)空氣壓力對(duì)車下設(shè)備艙和車下設(shè)備的影響。

圖13 測(cè)點(diǎn)403失真處應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

基于ANSYS 有限元分析軟件，通過(guò)對(duì)某型動(dòng)車組

車下制動(dòng)設(shè)備箱模塊進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析校核和靜試驗(yàn)驗(yàn)證，基本掌握了制動(dòng)設(shè)備箱框架結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力水平及其安全系數(shù)，對(duì)其框架結(jié)構(gòu)后續(xù)的改進(jìn)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。而對(duì)于車下安裝設(shè)備而言，由于動(dòng)車組高速運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備承受振動(dòng)、沖擊、氣動(dòng)壓力等交變載荷，其工況更加復(fù)雜惡劣。因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性更是至關(guān)重要，將是后續(xù)研究的重要方向。

[1] EN 12663-1-2010鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求[S].2010.

[2] 徐 練,馬紀(jì)軍,范樂(lè)天,等. 高速列車車下懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012，33(5)：11-13，37.

[3] 范樂(lè)天,管全梅,高 軍,等. 高速列車車下設(shè)備艙模塊化彈性吊裝設(shè)計(jì)研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012，33(6)：23-26.

[4] TB/T 1335-1996鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].1996.

[5] 李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[6] 唐山軌道客車有限責(zé)任公司.CRH3項(xiàng)目靜強(qiáng)度試驗(yàn)大綱[Z].2005.

[7] 唐山軌道客車有限責(zé)任公司.CRH3項(xiàng)目靜強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告[Z].2006.

Installation Strength Simulation and Test Verification of EMU Hanging Equipments

LIYilei，F(xiàn)ANLetian，GUANQuanmei，ANXiaoyu，F(xiàn)UYina

(R&D Center of Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

This paper takes the hanging equipment frame structure of a certain type of EMU as an example, creates the finite element model based on the software ANSYS, and determines its load cases according to the standard EN12663[1]. The strength simulation and test verification of the framework and its mounting base has been completed, and the results can have certain reference for the design of hanging equipment frame structure.

EMU; frame; strength

1008-7842 (2015) 03-0046-05

??)女，工程師(

2014-11-11)

U270.1+2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.11