周文濤 孫衛(wèi)平 魏 凌 王冰松

1 目的與意義

電熱開水器是鐵路車輛專業(yè)供水設(shè)施，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)動(dòng)車組上，動(dòng)車組電熱開水器的主體采用常壓結(jié)構(gòu)，燒水腔不承壓，對(duì)于開水器主體，需要利用有限元模型及分析方法對(duì)其靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

本文以某型動(dòng)車組電熱開水器為例，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了靜強(qiáng)度仿真計(jì)算和實(shí)車振動(dòng)模擬試驗(yàn)，通過對(duì)比二者得出的結(jié)果，為動(dòng)車組電熱開水器的設(shè)計(jì)提供了參考與建議。

2 仿真計(jì)算

2.1 計(jì)算目的

根據(jù)某型動(dòng)車組技術(shù)要求計(jì)算電熱開水器靜強(qiáng)度，確保滿足使用要求，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

依據(jù)EN 12663-1-2010標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞分析。依據(jù)TB/T 2839-2003第6.1條要求進(jìn)行25kPa加載工況開水腔、儲(chǔ)水腔強(qiáng)度校核。

2.3 電熱開水器有限元模型

對(duì)某型動(dòng)車組電熱開水器進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真計(jì)算，使用Hypermesh進(jìn)行幾何處理和單元網(wǎng)格劃分，使用Optistruct求解器進(jìn)行仿真計(jì)算。該電熱開水器由外箱體、熱水箱和配電箱等組成。電熱開水器總重為90kg，熱水箱容積為18L，加滿水后總重為108kg。本文規(guī)定沿車體縱向?yàn)殡姛衢_水器的縱向（Z向），沿車體橫向?yàn)殡姛衢_水器的橫向（X向），沿車體垂向?yàn)殡姛衢_水器的垂向（Y向），如圖1所示。

圖1 電熱開水器組成示意圖及其坐標(biāo)系統(tǒng)

2.4 網(wǎng)格及邊界條件

首先根據(jù)電熱開水器組成的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立幾何模型，采用Hypermesh軟件對(duì)電熱開水器的幾何模型進(jìn)行離散。因?yàn)殡姛衢_水器組成屬于彈性薄殼結(jié)構(gòu)，所以采用殼單元SHELL單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用的單元大小為15mm，共形成27015個(gè)單元和27322個(gè)節(jié)點(diǎn)。

需要說明的是靜力計(jì)算假設(shè)開水器處于滿水狀態(tài)，因此，在有限元模型中把水的質(zhì)量分?jǐn)偟街車乃浣Y(jié)構(gòu)中，另外把一些簡化去除的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分?jǐn)偟狡渲車慕Y(jié)構(gòu)中，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

根據(jù)電熱開水器在車廂當(dāng)中的實(shí)際安裝情況，將電熱開水器的兩個(gè)上部安裝座、四個(gè)背板螺栓孔、四個(gè)底部支座設(shè)置為固定約束，即約束其6個(gè)自由度，如圖2所示。

圖2 約束位置分布

2.5 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

電熱開水器各靜強(qiáng)度工況的最大等效應(yīng)力（Von Mises）如表1所示。

表1 水箱電熱開水器各靜強(qiáng)度工況最大等效應(yīng)力

從表1可以看出，工況1和工況2水箱上部連接筋板的最大等效應(yīng)力都超過屈服強(qiáng)度。

由于水箱上部連接筋板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，對(duì)它進(jìn)行了改進(jìn)。主要把它的不銹鋼板壁厚由1.2mm提高到2.0mm，然后把它焊接在水箱側(cè)面，避免在靜強(qiáng)度工況1、2下過度受剪切。具體改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電熱開水器水箱上部筋板改進(jìn)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的電熱開水器各工況的最大等效應(yīng)力（Von Mises）如表2所示，可以看出電熱開水器在各靜強(qiáng)度工況下均滿足靜強(qiáng)度要求。

表2 水箱上部筋板改進(jìn)后電熱開水器各靜強(qiáng)度工況最大等效應(yīng)力

2.6 電熱開水器仿真計(jì)算結(jié)論

對(duì)某型動(dòng)車組電熱開水器進(jìn)行了靜強(qiáng)度仿真計(jì)算，分析結(jié)果表明電熱開水器在結(jié)構(gòu)改進(jìn)前受到靜強(qiáng)度工況1和2載荷作用時(shí)水箱上部連接筋板處等效應(yīng)力均為360MPa，超過了材料的屈服應(yīng)力，容易損壞，因此，需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。改進(jìn)水箱上部連接筋板后，電熱開水器在各靜強(qiáng)度工況下均滿足靜強(qiáng)度要求。

3 電熱開水器實(shí)車模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程及內(nèi)容

制造電熱開水器樣件一個(gè)，安裝在液壓振動(dòng)臺(tái)上，樣件安裝工裝盡量保證與實(shí)車固定方式一致。電熱開水器樣件的位置方向按如下規(guī)定：沿車體縱向?yàn)殡姛衢_水器的縱向（Z向），沿車體橫向?yàn)殡姛衢_水器的橫向（X向），沿車體垂向?yàn)殡姛衢_水器的垂向（Y向）。靜強(qiáng)度測(cè)試采用應(yīng)變測(cè)試，測(cè)試部位需要一定的空間粘貼應(yīng)變片，試驗(yàn)加載采用振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)加載，分別在模型的縱向、橫向和垂向加入正弦激勵(lì)，激勵(lì)頻率為10Hz，然后進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試。

由于改進(jìn)前水箱上部筋板在靜強(qiáng)度工況1和2下最大等效應(yīng)力超出屈服應(yīng)力，因此，首先采用水平臺(tái)縱向加載（Z向），在ST1、ST2工況下進(jìn)行了測(cè)試，得出最大應(yīng)變位置位于點(diǎn)A，最大等效應(yīng)力分別為280.66MPa、451.76MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了205MPa的屈服應(yīng)力，測(cè)點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的水箱上部筋板此時(shí)處于受剪切狀態(tài)，所以加載40s后筋板焊接處直接斷裂。

可見，開水器水箱上部筋板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題，因此，改進(jìn)這個(gè)筋板的結(jié)構(gòu)。首先，把筋板的厚度由1.2mm提高到2.0mm。其次，把筋板與水箱體的焊接位置放到側(cè)面，避免在縱向加載（Z向）最危險(xiǎn)的工況下受剪切作用。再次，增加筋板與水箱之間的焊接長度，增加中間焊點(diǎn)，提高焊接強(qiáng)度。最后，重新進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果顯示在ST1、ST2工況下，A點(diǎn)的最大等效應(yīng)力分別為160.2MPa、145.2MPa，其他工況下的最大等效應(yīng)力均與表2的靜強(qiáng)度工況1和2的計(jì)算值基本相符。

3.2 電熱開水器實(shí)驗(yàn)部分結(jié)論

對(duì)電熱開水器進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)前電熱開水器的縱向加載（Z向）試驗(yàn)中水箱連接筋板出現(xiàn)斷裂，說明此處筋板結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷。

4 結(jié)論

（1）某型動(dòng)車組電熱開水器靜強(qiáng)度的仿真分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)相吻合，證明了仿真靜強(qiáng)度計(jì)算的準(zhǔn)確性，仿真分析計(jì)算能為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）電熱開水器在ST1和ST2工況下，連接筋板處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足要求，通過仿真計(jì)算改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終滿足技術(shù)要求。

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