仲崇成 劉元君 何佳捷 阮大衛(wèi)

(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266000)

1 概述

地鐵作為一種城市軌道交通類(lèi)型，具有運(yùn)輸能力強(qiáng)、高速、準(zhǔn)時(shí)、安全、污染少、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，地鐵的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)取得了迅猛的發(fā)展。地鐵車(chē)輛作為地鐵運(yùn)輸體系中的關(guān)鍵裝備，對(duì)車(chē)輛及其零部件的安全評(píng)估也就越來(lái)越重要。地鐵車(chē)輛有很多的車(chē)下吊掛設(shè)備，這些設(shè)備的吊點(diǎn)往往不具備直接安裝到車(chē)體的條件，所以需要通過(guò)轉(zhuǎn)接梁連接到車(chē)體上，這種轉(zhuǎn)接梁式的吊掛結(jié)構(gòu)起到了承上啟下的作用。對(duì)這些吊掛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的評(píng)估和優(yōu)化對(duì)地鐵的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的意義。逆變器是某地鐵車(chē)下吊掛設(shè)備中質(zhì)量最大的設(shè)備，為此以逆變器為例對(duì)吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

2 吊掛結(jié)構(gòu)有限元模型建立

2.1 幾何模型

逆變器設(shè)備重865kg，為8點(diǎn)吊掛，車(chē)體橫向方向6個(gè)，縱向2個(gè)，每個(gè)吊點(diǎn)都是用螺栓、墊片和雙螺母將逆變器吊耳與轉(zhuǎn)接梁緊固連接。轉(zhuǎn)接梁和地板之間通過(guò)21個(gè)螺栓、螺母、墊片連接，轉(zhuǎn)接梁上有過(guò)孔。與逆變器相關(guān)的轉(zhuǎn)接梁共有6根，橫縱排列。

2.2 有限元模型

為保證計(jì)算精度，有限元模型包括了轉(zhuǎn)接梁及相關(guān)的所有零部件，其中轉(zhuǎn)接梁、安裝座、螺栓、螺母、墊片等均采用六面體實(shí)體單元，地板、邊梁、逆變器等采用殼單元。吊掛點(diǎn)附近區(qū)域單元細(xì)化。模型共59萬(wàn)節(jié)點(diǎn)，45萬(wàn)單元。有限元模型如圖1。

a. 整體模型

b. 局部放大圖1 有限元模型

2.3 材料屬性

轉(zhuǎn)接梁和底板采用鋁型材6082-T6，其余零部件均采用不銹鋼304L，材料屬性如表1所示。

表1 材料性能

2.4 計(jì)算工況和邊界條件

根據(jù)鐵路車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車(chē)下設(shè)備靜強(qiáng)度需滿足縱向±3g、橫向±1g、垂向(1±C)g載荷及載荷組合要求，疲勞強(qiáng)度需滿足縱向±0.15g、橫向±0.15g、垂向(1±0.15g)載荷及載荷組合要求。根據(jù)逆變器在車(chē)體上的安裝位置確定C取0.5。

由設(shè)備的特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)要求，靜強(qiáng)度計(jì)算和疲勞強(qiáng)度計(jì)算分別有5種和8種工況，如表2和表3所示。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表4是靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，可以看出各工況應(yīng)力相差不大，其中工況2稍大些，安全系數(shù)1.33，圖2是此工況的應(yīng)力云圖，應(yīng)力最大點(diǎn)在轉(zhuǎn)接梁上表面吊點(diǎn)附近。

表2 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

表3 疲勞計(jì)算工況

表4 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖2 靜強(qiáng)度工況二等效應(yīng)力云圖

3.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

選取所有單元在八個(gè)工況下的應(yīng)力最大值σmax與最小值σmin來(lái)計(jì)算該單元的平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅σa。具體計(jì)算公式如下：

將疲勞強(qiáng)度表示在疲勞極限圖中，以此判斷該單元的應(yīng)力值是否滿足結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。圖3是疲勞極限圖，所有單元都在母材疲勞極限內(nèi)。結(jié)構(gòu)的疲勞安全系數(shù)是1.19。

圖3 疲勞極限圖

3.3 優(yōu)化方案

根據(jù)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的分析，發(fā)現(xiàn)所有工況的最大應(yīng)力都在轉(zhuǎn)接梁的上表面，說(shuō)明此處為結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。應(yīng)力大的原因是加載后，在過(guò)孔周邊產(chǎn)生了彎曲應(yīng)力。為降低彎曲應(yīng)力，應(yīng)該增大承載面積，降低局部載荷?？紤]工藝、成本、安裝空間等因素制定優(yōu)化方案，將直徑30mm平墊片(厚度3mm)改為(55mm×30mm×5mm )的墊塊，中間螺栓過(guò)孔。

4 優(yōu)化方案的仿真及分析

4.1 優(yōu)化方案的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖5是兩個(gè)方案的各靜強(qiáng)度工況等效應(yīng)力和安全系數(shù)對(duì)比圖，可以看出優(yōu)化方案比原方案有較大幅度的改善。圖6是優(yōu)化方案工況2的等效應(yīng)力云圖。疲勞安全系數(shù)也有較大幅度改善，從原方案的1.19提升到1.48。圖7是優(yōu)化方案的疲勞極限圖。

圖4 兩個(gè)方案靜強(qiáng)度工況等效應(yīng)力和安全系數(shù)對(duì)比

圖5 優(yōu)化方案工況2的等效應(yīng)力云圖

圖6 優(yōu)化方案疲勞極限圖

5 結(jié)論

對(duì)地鐵逆變器吊掛結(jié)構(gòu)的有限元分析的結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)接梁的上表面彎曲應(yīng)力偏大。綜合工藝、成本、安裝空間等因素制定優(yōu)化方案并做計(jì)算。對(duì)比結(jié)果可以看出，優(yōu)化方案大幅提升了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)。

可以依此為依據(jù)，對(duì)其他車(chē)下設(shè)備的吊掛方案進(jìn)行分析和優(yōu)化，提升地鐵整體的安全系數(shù)。

[1] BSEN 12663-1-2010+A1-2014.鐵路應(yīng)用-鐵路車(chē)輛車(chē)身的結(jié)構(gòu)要求 [S].2015.

[2] GB/T 7928 2003地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件[S].2003.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2014.

[4] 嚴(yán)雋耄，傅茂海.車(chē)輛工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.