李 豐，李守律，張林楠，李 宏，曹 源，張玉琢

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111；2.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

鐵路客車設(shè)備安裝梁強度分析

李 豐1，李守律1，張林楠1，李 宏1，曹 源2，張玉琢2

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111；2.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

鐵路客車車下設(shè)備安裝梁是車下重要承載結(jié)構(gòu)，對其強度有嚴(yán)格的要求。本文首先建立了設(shè)備安裝梁的有限元模型，計算設(shè)備艙總體應(yīng)力分布以評定其結(jié)構(gòu)靜強度。之后利用Goodman疲勞曲線圖對設(shè)備艙疲勞強度進行了分析和計算。結(jié)果表明，在三向沖擊載荷及動載荷下，設(shè)備艙結(jié)構(gòu)的靜強度及疲勞強度滿足設(shè)計運用要求，達到了驗證其結(jié)構(gòu)安全性的目的。

設(shè)備艙；鐵路客車；有限元；靜強度；疲勞強度

鐵路客車車下設(shè)備安裝梁不僅承受車下設(shè)備重量，還起到設(shè)備艙骨架梁的作用，是車下重要的承載結(jié)構(gòu)。在客車運行時，該種安裝梁會同時承受車下設(shè)備與設(shè)備艙的振動與沖擊，因此對其強度有較高要求。有限元分析能夠利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實的復(fù)雜系統(tǒng)進行模擬，用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。因此本文利用有限元仿真分析的手段對其強度進行了研究。

1 設(shè)備安裝梁有限元模型建立

因設(shè)備安裝梁起到設(shè)備艙骨架作用，設(shè)備艙受力變形情況復(fù)雜，難以在分析中對設(shè)備安裝梁施以簡單的載荷，所以需在分析時將設(shè)備艙的幾何模型一起建立。根據(jù)某設(shè)備艙工程圖紙，建立其三維模型，如圖1所示。設(shè)備艙分為兩段，主體位于兩轉(zhuǎn)向架之間，一小部分位于二位轉(zhuǎn)向架外側(cè)。利用Hypermesh劃分網(wǎng)格，將劃好的網(wǎng)格導(dǎo)入Abaqus建立有限元模型。有限元模型采用殼單元進行計算，選用S4R單元，模型共包含486 931個單元和482 690個節(jié)點。有限元模型如圖2所示。將建立的殼單元導(dǎo)入Abaqus有限元分析軟件中進行強度分析[1]，強度分析標(biāo)準(zhǔn)參考文獻[2]。

圖1 設(shè)備艙三維結(jié)構(gòu)

圖2 設(shè)備艙有限元模型

安裝在設(shè)備艙骨架上的車下設(shè)備有6個，見表1。安裝位置均在枕內(nèi)，如圖3所示。由于二位轉(zhuǎn)向架外側(cè)的設(shè)備艙骨架上未安裝設(shè)備，下文中的有限元云圖只顯示兩轉(zhuǎn)向架之間的主體設(shè)備艙部分。

表1 車下設(shè)備參數(shù)表

圖3 車下設(shè)備安裝圖

2 設(shè)備安裝梁靜強度分析

2.1 設(shè)備安裝梁靜載荷工況

根據(jù)參考文獻[2]中車體附屬設(shè)備規(guī)定，設(shè)備振動分為垂向、橫向、縱向。選取標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于P-II類型車輛（動車組車輛）的振動要求，附屬設(shè)備額外振動加速度值見表2。

表2 車下設(shè)備額外振動加速度

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定橫向、縱向額外振動加速度需分別與垂向1 g疊加計算，垂向額外振動加速度需與設(shè)備凈重一起施加。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)備艙工況設(shè)置見表3。

表3 設(shè)備艙工況設(shè)置

2.2 靜強度計算結(jié)果分析

根據(jù)參考文獻[2]中規(guī)定，母材區(qū)許用應(yīng)力為材料屈服強度，見表4，焊縫附近母材許用應(yīng)力需考慮1.1倍安全系數(shù)。

表4 材料靜強度許用應(yīng)力

6種車下設(shè)備安裝在5個區(qū)域，其中隔離變壓器+逆變器（以下稱模塊1）和充電機組安裝在同一設(shè)備艙內(nèi)，其他4個車下設(shè)備分別安裝在4個區(qū)域。經(jīng)仿真后，得到7種工況下設(shè)備安裝梁最大應(yīng)力點，如圖4所示。

圖4 設(shè)備艙局部應(yīng)力分布圖

將所得結(jié)果列于表5。

表5 設(shè)備艙有限元計算結(jié)果單位：Mpa

根據(jù)表5設(shè)備艙總體應(yīng)力分布計算結(jié)果，可以得出，各個工況下，設(shè)備艙的工作應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，設(shè)備艙結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足靜強度要求。

3 設(shè)備安裝梁疲勞強度分析

設(shè)備艙疲勞強度分析采用Goodman疲勞曲線圖進行[3～4]，其使用方法是：任何應(yīng)力點如果處于封閉折線之上或之外，表示在指定循環(huán)N次疲勞之后或經(jīng)過N次疲勞，材料都將發(fā)生斷裂，若應(yīng)力點處于封閉折線之內(nèi)，則說明在指定循環(huán)N次疲勞之后或經(jīng)過N次疲勞，材料是安全的。疲勞強度評定具體步驟是：

（1）確定疲勞載荷工況，確定結(jié)構(gòu)在不同載荷工況作用下結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力，包括主應(yīng)力大小和方向；

（2）將所有載荷工況作用下結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力方向確定為基本應(yīng)力分布方向，其值為最大計算主應(yīng)力σmax，計算其與結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)線（或計算模型的整體坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸線）的夾角；

（3）將在其他載荷工況作用下的主應(yīng)力投影到基本應(yīng)力分布方向上，應(yīng)力值確定為最小主應(yīng)力σmin；

（4）由最大和最小主應(yīng)力值計算平均應(yīng)力和應(yīng)力幅，用修正Goodman疲勞曲線評定結(jié)構(gòu)的疲勞強度。

3.1 疲勞載荷工況確立

根據(jù)參考文獻[2]中對車體附屬設(shè)備疲勞工況的規(guī)定，設(shè)置設(shè)備艙疲勞載荷工況[5]，具體設(shè)置見表6。

表6 設(shè)備艙疲勞載荷工況單位：g

3.2 疲勞強度評定方法

對于每個觀測點，記錄表6中規(guī)定的每種載荷工況下的應(yīng)力，從這些值中，取最小主應(yīng)力值σmin和最大主應(yīng)力值σmax，以便確定應(yīng)力均值σm和應(yīng)力幅值σa，其計算公式為[6]：

Goodman-Smith圖中提供了需要遵守的極限應(yīng)力，利用Smith形式的Goodman疲勞曲線進行疲勞強度校核。

3.3 設(shè)備安裝梁結(jié)構(gòu)疲勞強度評定

3.3.1 疲勞工況有限元計算

6種工況下最大主應(yīng)力如圖5所示。

圖5 Q345E材料組最大主應(yīng)力圖

3.3.2 疲勞強度校核

將6種工況下獲得的最大主應(yīng)力匯總，獲得最大和最小主應(yīng)力，進而得出平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，將獲得的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值繪制在材料Goodman疲勞極限曲線圖中，該圖可由簡單的幾何作圖得到。其中抗拉強度，屈服強度和疲勞極限由標(biāo)準(zhǔn)給出，分別為480 MPa和345 MPa，疲勞極限由經(jīng)驗公式計算獲得，應(yīng)用過程中需考慮安全系數(shù)，母材安全系數(shù)S=1.5，焊縫處安全系數(shù)為1.65，如圖6所示。

根據(jù)圖6可以看出，Q345E材料結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力均位于Goodman圖內(nèi)，結(jié)構(gòu)滿足無限壽命設(shè)計要求。

圖6 Q345E材料結(jié)構(gòu)疲勞強度校核

4 結(jié)束語

通過建立設(shè)備艙的有限元模型，完成設(shè)備安裝梁的靜強度與疲勞強度的仿真計算，驗證設(shè)計結(jié)構(gòu)的安全性。計算結(jié)果表明，在規(guī)定的三向沖擊振動條件下，設(shè)備安裝梁的靜強度和疲勞強度均滿足設(shè)計要求；又通過分析可知，最大應(yīng)力集中在水箱安裝梁的安裝座附近。

[1]趙少汴，王中保.抗疲勞設(shè)計—方法與數(shù)據(jù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]EN12663-2010 Railway application-Structure requirement of railway vehicle bodies[S].Brussels:Comite Europeen de Normalisation,2010.

[3]趙永翔，楊 冰，彭佳純，等.鐵道車輛疲勞可靠性設(shè)計Goodman-Smith圖的繪制與應(yīng)用 [J].中國鐵道科學(xué)，2005，25（6）：6-12.

[4]陳 雷，章梓茂.B 級車輪鑄鋼的疲勞可靠性設(shè)計 Goodman-Smith圖[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2006，41(6)：705-708.

[5]Jack A Collins.Failure of Materials in Mechanical Design:Analysis Prediction,Prevention [M].New York:A Wiley-Interscience Publication,John Wiley &Sons，1993.

[6]項 彬，史建平，郭良彥，等.鐵路常用材料Goodman疲勞極限線圖的繪制與應(yīng)用[J].中國鐵道科學(xué)，2002，23（4）：72-76.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Strength analysis of Equipment installation beam for railway passenger cars

LI Feng1,LI Shoulv1,ZHANG Linnan1,LI Hong1,CAO Yuan2,ZHANG Yuzhuo2
( 1.CSR Qingdao Sifang Locomotive &Rolling Stock Co.,Ltd.,Qingdao 266111,China;2.School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Passenger train’s equipment installation beam of railway passenger cars is an important bearing structure under the cars,so there are strict requirements on its strength.This article built up the fnite element model of the equipment installation beam,calculated the overall stress distribution of equipment compartment to assess its structure static strength,used Goodman fatigue curve to analyze and calculate the fatigue strength of equipment compartment.Results showed that the static strength and fatigue strength of the equipment compartment structure could meet the design requirements under three-dimensional impact load and dynamic load,reached the purpose of verifying the structure safety.

equipment compartment;railway passenger cars;fnite element;static strength;fatigue strength

U271∶TP39

A

1005-8451（2016）02-0016-04

2015-10-09

國家科技支撐計劃項目（2015BAG12B01）。

李 豐，工程師；李守律，工程師。