李曉峰，孫博飛，高峰( .大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧大連608; .中國(guó)北車(chē)集團(tuán)唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司，河北唐山063000)*

動(dòng)車(chē)組玻璃鋼車(chē)頭及聯(lián)接結(jié)構(gòu)建模方法研究

李曉峰1，孫博飛1，高峰2
( 1.大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧大連116028; 2.中國(guó)北車(chē)集團(tuán)唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司，河北唐山063000)*

對(duì)某型動(dòng)車(chē)組玻璃鋼車(chē)頭模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，依據(jù)EN12663－2010標(biāo)準(zhǔn)確定載荷工況，完成對(duì)玻璃鋼車(chē)頭及其聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度校核.通過(guò)兩種建模方案的對(duì)比，確定玻璃鋼車(chē)頭的合理的建模方式.計(jì)算結(jié)果表明:玻璃鋼主結(jié)構(gòu)及連接螺栓均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，以殼單元和梁?jiǎn)卧獊?lái)建模與實(shí)體化建模結(jié)果無(wú)明顯差異且節(jié)省計(jì)算時(shí)間.

高速列車(chē);玻璃鋼車(chē)頭;強(qiáng)度校核;方案對(duì)比

0 引言

高速重載是我國(guó)鐵路發(fā)展的必然趨勢(shì)，我國(guó)引進(jìn)動(dòng)車(chē)組技術(shù)后，列車(chē)的運(yùn)行速度不斷提高，行車(chē)阻力明顯增加.列車(chē)高速交會(huì)時(shí)會(huì)對(duì)列車(chē)表面產(chǎn)生瞬態(tài)的壓力沖擊，嚴(yán)重危害行車(chē)安全.我國(guó)既有鐵路干線(xiàn)客、貨列車(chē)不能分時(shí)分線(xiàn)運(yùn)行，且線(xiàn)間距較小，使列車(chē)的空氣動(dòng)力問(wèn)題成為制約列車(chē)提速的主要因素［1］.為了降低空氣阻力對(duì)列車(chē)的影響，解決高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，許多專(zhuān)家做了大量的研究.聶永紅等對(duì)流線(xiàn)型列車(chē)頭部端蓋自動(dòng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究［2］.張經(jīng)強(qiáng)，梁習(xí)鋒運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件CFX5.3對(duì)動(dòng)車(chē)組進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算并對(duì)列車(chē)頭部進(jìn)行了改進(jìn)［3］.姚拴寶等針對(duì)高速列車(chē)頭部外形的氣動(dòng)減阻問(wèn)題，提出了一套基于實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的變光滑因子廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面模型( GA-GRNN)的氣動(dòng)外形優(yōu)化方法［4］.Woodward C D 以NURBS曲線(xiàn)曲面的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在AutoCAD 的ARX和I-deas的Open I-deas開(kāi)發(fā)平臺(tái)上提出了流線(xiàn)型列車(chē)頭部外形設(shè)計(jì)算法［5］.玻璃鋼作為一種新型復(fù)合材料，以其質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕和電性能好及加工性能優(yōu)良等特點(diǎn)［6］，正逐步應(yīng)用于高速列車(chē)車(chē)頭部位，其強(qiáng)度與列車(chē)安全性密切相關(guān).

本文對(duì)某型動(dòng)車(chē)組玻璃鋼車(chē)頭模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，依據(jù)EN12663-2010鐵路車(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)要求確定載荷工況，對(duì)高速動(dòng)車(chē)組玻璃鋼車(chē)頭及其與車(chē)體聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析與評(píng)價(jià).為確定玻璃鋼車(chē)頭合理的建模方法，對(duì)該型動(dòng)車(chē)組玻璃鋼車(chē)頭分別用兩種方法建模，通過(guò)對(duì)兩種建模方案的聯(lián)接螺栓以及玻璃鋼部件的應(yīng)力對(duì)比分析，最終確定了玻璃鋼車(chē)頭的合理的建模方案.

1 玻璃鋼車(chē)頭結(jié)構(gòu)及計(jì)算載荷

高速動(dòng)車(chē)組玻璃鋼車(chē)頭結(jié)構(gòu)主要由車(chē)頭主結(jié)構(gòu)、開(kāi)閉結(jié)構(gòu)、裙板和前端安裝支架等組成，其幾何結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.車(chē)頭主結(jié)構(gòu)、開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、裙板均為玻璃鋼復(fù)合材料.玻璃鋼車(chē)頭與車(chē)體之間由膠體以及螺栓聯(lián)接.車(chē)頭結(jié)構(gòu)部件的主要材料性能參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 高速動(dòng)車(chē)組玻璃鋼車(chē)頭結(jié)構(gòu)

表1 玻璃鋼車(chē)頭材料性能參數(shù)

依據(jù)EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)確定動(dòng)車(chē)組玻璃鋼車(chē)頭有限元分析計(jì)算的載荷工況時(shí)，將其作為聯(lián)接在車(chē)體上的一個(gè)附屬設(shè)備，并根據(jù)其承受列車(chē)雙向運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)壓力，共確定了8種載荷工況，見(jiàn)表2.

表2 玻璃鋼車(chē)頭載荷工況匯總

2 玻璃鋼車(chē)頭計(jì)算模型

根據(jù)玻璃鋼車(chē)頭的三維實(shí)體模型，以及各部件之間的聯(lián)接關(guān)系對(duì)該車(chē)頭進(jìn)行有限元建模.由于幾何模型在橫向上對(duì)稱(chēng)，故有限元模型采用對(duì)稱(chēng)模型計(jì)算.凡是對(duì)玻璃鋼車(chē)頭整體剛度及局部強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)，都予以考慮.全部實(shí)體化建模方案一中有限元模型主要由六面體單元組成，其單元總數(shù)為745473;結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1118803.其中:利用接觸關(guān)系定義螺栓墊圈與玻璃鋼、玻璃鋼與大墊圈以及大墊圈與鋁合金車(chē)體之間的相互作用關(guān)系，共計(jì)定義13個(gè)接觸對(duì).有限元模型見(jiàn)圖2( a).用平面殼單元與梁?jiǎn)卧慕７桨付?，其單元總?shù)為556321;結(jié)點(diǎn)總數(shù)為773128.有限元模型見(jiàn)圖2( b).

圖2 車(chē)頭玻璃鋼部件有限元模型

3 計(jì)算分析

3.1螺栓總拉力及預(yù)緊力的計(jì)算方法

螺栓在安裝時(shí)，每個(gè)螺栓受有預(yù)緊力QP，當(dāng)承受軸向工作載荷F后，由于螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力不等于預(yù)緊力QP和工作拉力F之和;而是與QP，F(xiàn)和螺栓剛度CL，被連接件的剛度CF有關(guān)，當(dāng)應(yīng)變?cè)趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)，各零件受力可根據(jù)靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行分析.因此，螺栓的總拉力等于預(yù)緊力加上部分工作載荷，即:

另外，螺栓在預(yù)緊力Qp作用下的螺桿拉應(yīng)力為

聯(lián)接螺栓參數(shù):直徑為12 mm、預(yù)緊力矩28 N·m，代入式( 2)計(jì)算得到螺栓預(yù)緊力為11 667 N.

3.2建模方案一分析結(jié)果

在各計(jì)算工況作用下，建模方案一的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可以看出:螺栓應(yīng)力主要受螺栓預(yù)緊力影響，工作工況對(duì)其影響不大;氣動(dòng)載荷工況較其他工況對(duì)車(chē)頭影響大，工況7下主結(jié)構(gòu)、螺栓最大Von.Mises應(yīng)力分別為69.7、290.3 MPa，應(yīng)力云圖參見(jiàn)圖3和圖4;各結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求.

表3 玻璃鋼車(chē)頭計(jì)算結(jié)果匯總表 MPa

圖3 主結(jié)構(gòu)Von.Mises應(yīng)力云圖(方案一)

圖4 螺栓Von.Mises應(yīng)力云圖(方案一)

由于建模方案一考慮了螺栓的預(yù)緊力，所以主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在加速度工況作用下比較大，不考慮聯(lián)接螺栓預(yù)緊力影響的部位玻璃鋼車(chē)頭主結(jié)構(gòu)應(yīng)力與螺栓的拉應(yīng)力見(jiàn)表4.

表4 玻璃鋼車(chē)頭主結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果匯總表 MPa

3.3建模方案二分析結(jié)果

在各計(jì)算工況作用下，建模方案二的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.依據(jù)車(chē)頭在各靜強(qiáng)度計(jì)算工況作用下的有限元分析結(jié)果，提取了考核螺栓的內(nèi)力，作為螺栓工作拉力的計(jì)算數(shù)據(jù).由于螺栓在裝配時(shí)必須將螺母擰緊，所以螺栓螺紋部分不僅受預(yù)緊力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力的作用，同時(shí)還受螺紋副間的摩擦力矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，因此計(jì)算時(shí)將工作應(yīng)力增大30%，以考慮扭轉(zhuǎn)力矩的影響.工況7下主結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖5所示.

圖5 主結(jié)構(gòu)Von.Mises應(yīng)力云圖(方案二)

4 結(jié)論

通過(guò)兩種建模方式，對(duì)玻璃鋼車(chē)頭主結(jié)構(gòu)及其與車(chē)體聯(lián)接螺栓進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示: 8種載荷工況作用下，玻璃鋼車(chē)頭重要部件及連接螺栓強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;兩種建模方式車(chē)頭主結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生位置基本一致，應(yīng)力大小無(wú)明顯差異，用梁?jiǎn)卧M螺栓比用接觸關(guān)系模擬螺栓的應(yīng)力略小.通過(guò)此次分析可以發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)緊單元施加預(yù)緊力能直接、準(zhǔn)確地模擬預(yù)緊力的作用，但建模方式復(fù)雜，所需計(jì)算資源較大，耗費(fèi)時(shí).

［1］田紅旗.中國(guó)列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006，6( 1) : 1-9.

［2］聶永紅，劉國(guó)偉，丁叁叁.流線(xiàn)型列車(chē)頭部端蓋自動(dòng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)選型分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2003( 3) : 30-33.

［3］張經(jīng)強(qiáng)，梁習(xí)鋒.高速列車(chē)外形的氣動(dòng)性能數(shù)值計(jì)算和頭部外形的改進(jìn)［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2003，20( 5) : 631-635.

［4］姚拴寶，郭迪龍，楊國(guó)偉.基于GA-GRNN的高速列車(chē)頭型三維優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)科學(xué)(技術(shù)科學(xué))，2012，42( 11) : 1283-1294.

［5］WOODWARD C D.Skinning Techniques for Interactive B-Spline Surface Interpolation［J］.Computer-Aided Design，1988，20( 8) : 441-451.

［6］劉鈞，曾竟成，馬良，等.高速列車(chē)機(jī)車(chē)用復(fù)合材料車(chē)頭蓋的研制［J］.纖維復(fù)合材料，2003( 4) : 36-38.

Study of EMU GRP Front and Coupling Structure Modeling Method

LI Xiaofeng1，SUN Bofei1，GAO Feng2
( 1.School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China; 2.CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd，Tangshan 063000，China)

A type of EMU GRP front model was simplified based on criteria EN12663-2010 to determine load cases，and the strength of the GRP front and connecting bolts were checked.By comparing the two modeling programs，the reasonable modeling method of the GRP front is determined.The results show that the main structure of the GRP and bolts meet the design requirements with no significant differences in calculation and time saving.

high-speed trains; GRP front; strength check; program comparison

A

1673-9590( 2016) 01-0036-04

2015-05-13

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目( 2014J004－N)

李曉峰( 1972－)，男，副教授，博士，主要從事車(chē)輛CAE關(guān)鍵技術(shù)的研究

E-mail: lixiaofeng2007@126.com.