江濤

（南京浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800）

基于ABAQUS的高速動車組制動控制裝置支架有限元的分析

江濤

（南京浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800）

動車組在高速運行時，車載設(shè)備受到運行產(chǎn)生的振動沖擊十分強烈。論文創(chuàng)建了高速動車組制動控制裝置計算模型，通過ABAQUS數(shù)值仿真，對制動控制裝置支架進行了靜強度和振動沖擊分析，獲得了制動控制裝置支架在不同工作狀況下最大應(yīng)力，分析結(jié)果表明：制動控制裝置支架滿足在靜強度和振動沖擊下材料的屈服極限，同時對制動控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了合理化建議。

高速動車組；制動控制裝置支架；有限元分析；ABAQUS

0 引言

本文主要基于abaqus有限元分析方法，以鐵路相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為判定依據(jù)，對制動控制裝置支架的靜強度、沖擊強度進行仿真分析，為制動控制裝置支架設(shè)計提供依據(jù)。

1 設(shè)計要求

高速動車組制動控制裝置是將制動控制器、閥類、旋塞類、濾塵器、風(fēng)缸集約單元化的產(chǎn)品，主要用于高速動車組的制動控制；制動控制裝置（見圖1）安裝于動車組車下，當(dāng)車輛到站時，對動車施加制動，因此在動車運行過程中，制動控制裝置支架的強度對于列車制動系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定起著重要的作用。

圖1　動車制動控制裝置Fig.1 Braking control device

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS E-4031、EN-12663對整個制動控制裝置施加不同荷載，從而考量制動控制裝置支架的強度，要求支架在規(guī)定荷載下最大應(yīng)力不得大于許用應(yīng)力，具體判定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1　判定標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Criteria

2 模型處理

（1）幾何模型。制動控制裝置幾何模型如圖1所示，因大風(fēng)缸雖為儲氣裝置，但其本身也起到傳遞荷載作用，因此也將其作為支架的一部分來考慮。圖中X方向為縱向，Y方向為垂向，Z方向為橫向。

（2）支架材料參數(shù)。制動控制裝置支架材料彈性模量為210000MPa，泊松比為0.3，屈服強度為245MPa。材料均按線性材料考慮。支架母材強度參數(shù)見表2；網(wǎng)格模型（見圖2）。

表2　支架母材強度參數(shù)Tab.2 Stand material strengthparameters

（3）連接關(guān)系。動車制動控制裝置中集成了制動控制器、閥類、風(fēng)缸、氣路板等眾多部件，為了能夠減少計算量，縮短計算時間、提高計算準(zhǔn)確度，支架與風(fēng)缸、支架與氣路板以及支架本身的焊接關(guān)系通過ABAQUS中的Tie連接，下護箱的MASS單元通過Coupling與風(fēng)缸支架及氣路板連接見圖3。因風(fēng)缸、氣路板和下護箱不在分析范圍之內(nèi)，所以將風(fēng)缸、下護箱采用Display body將其顯示，氣路板本身定義成剛性較大的材料，使其起到連接支架的作用；通過約束支架四周的安裝孔來模擬制動控制裝置懸掛于動車車下。對支架4個安裝孔施加位移/轉(zhuǎn)角約束，約束其6個自由度。具體位置見圖4。

圖2　裝置網(wǎng)格模型圖Fig.2 Device grid model

圖3　連接關(guān)系示意圖Fig.3 Connection relationship

圖4　吊架安裝孔約束示意圖Fig.4 Stand mounting hole constraint

3 靜載荷強度分析

在動車運行過程中，支架主要承受來自制動控制裝置自身載荷和列車對其的作用，因此靜強度是否滿足材料的屈服極限，對動車能否穩(wěn)定的制動具有重要意義。根據(jù)EN12663-2000《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》的規(guī)定，制定如表2所列的不同工況下制動控制裝置支架所承受的靜載荷，對其進行靜載荷強度分析，以校核其強度是否滿足材料的屈服極限。g為重力加速度，g=9.8m/s2。

由圖5～圖7可知，工況1的最大應(yīng)力為143.3MPa，工況2的最大應(yīng)力為152.3MPa，工況3的最大應(yīng)力為219.8MPa；制動控制裝置支架材料屈服強度為245MPa，三種工況下最大應(yīng)力均小于支架的屈服極限，說明制動控制裝置支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計、支架材料符合EN12663-2000《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》靜強度要求，同時也可以靜強度分析作為依據(jù)，適當(dāng)對制動控制裝置進行改形優(yōu)化設(shè)計，在滿足靜強度的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減輕其重量，對于動車組制動系統(tǒng)輕量化具有重要意義。

表3　靜強度載荷參數(shù)Tab.3 Static strength load

圖5　-1靜載荷工況1應(yīng)力分布Fig.5-1 Static load condition 1 stress distribution

圖5　-2靜載荷工況1最大應(yīng)力Fig.5-2 Static load condition 1 the maximum stress

圖6　-1靜載荷工況2應(yīng)力分布Fig.6-1 Static load condition 2 stress distribution

圖6　-2靜載荷工況2最大應(yīng)力Fig.6-2 Static load condition 2 the maximum stress

圖7　-1靜載荷工況3應(yīng)力分布Fig.7-1 Static load condition 3 stress distribution

圖7　-2靜載荷工況3最大應(yīng)力Fig.7-2 Static load condition 3 the maximum stress

4 沖擊載荷強度分析

高速動車組在運行過程中，路況比較復(fù)雜，有高地有低地，有彎道有平道，列車運行速度有快又慢，制動控制裝置承受著各種情況下的振動沖擊，在對其靜強度分析后，對其沖擊載荷強度分析，以驗證其承受各種不同情況下的振動沖擊能力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS E4031-2008《鐵路鐵路車輛部件--振動及沖擊試驗方法》相關(guān)規(guī)定，在Abaqus中分別對X、Y、Z方向綜合施加沖擊載荷（沖擊載荷參數(shù)見表3），沖擊荷載按JIS E4031一類B種標(biāo)準(zhǔn)分三種情況施加，脈沖波形見圖8，在計算中只取其中沖擊階段脈沖波形，重力加速度（9.8N·m/s2）。

從圖9～圖11可知：工況1下沖擊載荷最大應(yīng)力為174.2MPa，工況2下沖擊載荷最大應(yīng)力為162. 9MPa，工況3下沖擊載荷最大應(yīng)力為61.76MPa，均小于制動控制裝置支架的屈服極限，說明制動控制裝置支架的設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度符合JIS E4031-2008《鐵路鐵路車輛部件——振動及沖擊試驗方法》振動沖擊要求。

表4　沖擊載荷參數(shù)Tab.4 Shock load

圖8　沖擊荷載脈沖波形圖Fig.8 Shock load pulse wave

圖9　-1沖擊載荷工況1應(yīng)力分布Fig.9-1 Static load condition 1 stress distribution

圖9　-2沖擊載荷工況1最大應(yīng)力Fig.9-2 Shock load condition1 the maximum stress

圖10　-1沖擊載荷工況2應(yīng)力分布Fig.10-1 Shock load condition 2 stress distribution

圖10　-2沖擊載荷工況2最大應(yīng)力Fig.10-2Shock load condition2 the maximum stress

圖11　-1沖擊載荷工況3應(yīng)力分布Fig.11-1 Shock load condition 3 stress distribution

圖11　-2沖擊載荷工況3應(yīng)力分布云圖Fig.11-2 Shock load condition3 the maximum stress

5 結(jié)論

5.1結(jié)果分析

經(jīng)過對高速動車組制動控制裝置支架進行靜強度和振動沖擊有限元分析，獲得了在不同工況下產(chǎn)生的最大應(yīng)力并研究了支架周圍的應(yīng)力分布，得出如下結(jié)論：①靜強度載荷數(shù)值仿真得到的不同工況下的最大應(yīng)力均小于支架材料的屈服極限，支架結(jié)構(gòu)滿足高速動車組穩(wěn)定性要求；②振動沖擊強度載荷數(shù)值仿真得到的不同工況下的最大應(yīng)力均小于支架材料的屈服極限，支架結(jié)構(gòu)滿足高速動車組耐振動和沖擊狀態(tài)下的要求。

5.2制動控制裝置設(shè)計合理化建議

針對本文的分析結(jié)論，對高速動車組制動控制裝置支架設(shè)計提出以下幾點建議：①最大應(yīng)力處多顯示支架吊裝孔周圍，可通過改變吊裝孔形狀或在吊裝孔上設(shè)置墊塊，減少或避免該處的應(yīng)力集中；②風(fēng)缸占到制動控制裝置重量相當(dāng)大的比例，可考慮在滿足靜強度和振動沖擊強度的基礎(chǔ)上，改變風(fēng)缸材質(zhì)，對風(fēng)缸進行輕量化設(shè)計，滿足高速動車組更加輕便型和方便安裝性的要求。

［1］莊茁，等.非線性有限元分析與實例［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［2］石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析實例詳解［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［3］江濤.基于ABAQUS的絲杠冷打成形過程分析［D］.西安理工大學(xué)，2013.

［4］江濤，李言．冷滾打絲杠的彈塑性分析［C］．制造技術(shù)自動化學(xué)術(shù)會議論文集，2009，12．

［5］蔣愛軍，等．地鐵列車制動框架有限元分析［J］.鐵道機車與動車，2013，8.［6］王文平，萬敏，吳向東，刁可山．基于Abaqus的汽車板快速沖壓有限元分析［J］.鍛壓技術(shù)，2009，3.

Finite Element Analysis of the High-speed Train Braking Control Device Bracket Based on ABAQUS

JIANG Tao
（Nanjing Puzhen Haitai Brake Equipments Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 211800，China）

When the high-speed train in operation，the impact of vehicle equipment operation is extremely strong.The article aims on numerical value analyzing for the high-speed train baking cntrol dvice bracket，which is supported strength and vibration impact analysis through the numerical simulation of ABAQUS.Thereby educe stress distribution and the maximum stress in different working conditions. The results show that the baking cntrol dvice bracket meet the material limit yield in the conditions of strength and vibrationimpact，Proposing sagacious suggestions for the design structure of control device of brake.

high speed train；braking control device stand；finite element analysis；ABAQUS

TP29

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.040

1002-6673（2015）02-104-03

2015-02-05

江濤（1985-），男，江蘇南京人，碩士，工程師。