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(寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，浙江寧波315000)

0 引言

真空集便系統(tǒng)作為集中動(dòng)力動(dòng)車組給水衛(wèi)生系統(tǒng)的重要組成部分，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、耗氣耗水量少等優(yōu)點(diǎn)在軌道車輛中得到迅速發(fā)展[1]。

真空集便系統(tǒng)是通過(guò)抽取污物箱中的空氣，使污物箱中產(chǎn)生真空，利用加壓水將便盆中的污物沖洗到污物箱中[2]。而污物箱作為其重要組成，一般是采用螺栓連接的方式吊裝在車底。集中動(dòng)力動(dòng)車組在行進(jìn)過(guò)程中，由于車輪與軌道的碰撞，將會(huì)對(duì)污物箱的吊梁產(chǎn)生劇烈的影響，一旦污物箱的吊梁產(chǎn)生脫落，污物箱掉落在軌道上，將會(huì)導(dǎo)致車輛翻車，危及旅客安全[3-4]。因此，有必要在設(shè)計(jì)過(guò)程中按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(EN12663-1：2010)對(duì)污物箱進(jìn)行有限元分析。

本文基于ANSYS Workbench 仿真分析軟件，以集中動(dòng)力動(dòng)車組的真空集便系統(tǒng)550 L污物箱為分析對(duì)象，分別進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析、疲勞強(qiáng)度分析以及模態(tài)分析，仿真結(jié)果顯示該污物箱能滿足設(shè)計(jì)的要求。

1 550 L污物箱有限元模型

1.1 模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分

圖1 污物箱幾何模型

集中動(dòng)力動(dòng)車組550 L污物箱主要由外蒙皮、內(nèi)箱體框架、安裝支架、內(nèi)箱體、管道、閥門、電氣箱等組裝成。污物箱由其頂部安裝支架通過(guò)螺栓與車底連接，其幾何模型如圖1所示。

污物箱外蒙皮箱體由鉚釘固定在內(nèi)箱體框架上，內(nèi)箱體和內(nèi)箱體框架采用焊接方式連接。由于蒙皮箱體、防寒材料以及一些功能部件對(duì)污物箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒(méi)有幫助，因此在有限元建模時(shí)主要考慮作為承載主體的內(nèi)箱體框架結(jié)構(gòu)，并對(duì)幾何模型進(jìn)行適當(dāng)修正，刪除模型中對(duì)承載結(jié)構(gòu)影響不大的倒角、圓角、圓孔等。

污物箱整體由板材焊接而成，對(duì)簡(jiǎn)化的幾何模型抽取中面，保留原始板材厚度信息，采用四節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元尺寸8 mm，單元總數(shù)和單元節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為160758和168396，其有限元模型如圖2。

1.2 材料參數(shù)

污物箱主要結(jié)構(gòu)所使用的材料為304不銹鋼，具體材料屬性見(jiàn)表1。

表1材料參數(shù)

1.3 邊界條件

圖3 邊界條件示意圖

污物箱頂部通過(guò)安裝吊耳由螺栓連接到車體上，根據(jù)實(shí)際安裝方式，約束頂部吊耳螺栓孔處所有自由度，如圖3。

2 污物箱靜強(qiáng)度計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 污物箱靜強(qiáng)度工況

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1：2010和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1720-2010，采用PⅡ類規(guī)定的載荷，保壓載荷為-25 kPa，均勻施加在內(nèi)箱體內(nèi)壁上，其中x方向?yàn)榱熊囘\(yùn)行方向，y方向?yàn)榱熊嚈M軸方向，z方向?yàn)榇怪避壝嫦蛏?，?jì)算滿箱時(shí)的狀況，靜態(tài)計(jì)算工況見(jiàn)表2。

2.2 靜強(qiáng)度結(jié)果分析

根據(jù)EN12663-1：2010規(guī)定，本次有限元分析所采用的安全系數(shù)如表3，材料的許用強(qiáng)度如表4。

表2靜態(tài)工況

表3EN12663∶2010規(guī)定的安全系數(shù)

表4材料的許用強(qiáng)度

根據(jù)材料利用系數(shù)判定污箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求，具體公式：

(1)

式中：UF為材料利用系數(shù)，σequivalent為仿真計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大von mises等效應(yīng)力，σallowable為材料的許用應(yīng)力，許用應(yīng)力的計(jì)算公式：

(2)

式中：R0.2為材料屈服強(qiáng)度，Rm為材料許用強(qiáng)度。仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4-圖8。

圖4 S01工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖5 S02工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖6 S03工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖7 S04工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖8 S05工況應(yīng)力云圖和變形云圖

由圖4-圖8的仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，污物箱最大von mises等效應(yīng)力和最大變形都發(fā)生在S01工況，在污物箱的吊耳懸掛處von mises等效應(yīng)力最大，其值為141.07 MPa，在污物箱內(nèi)箱體上部的中間位置處變形量最大，最大變形量為1.20 mm，由公式(1)和公式(2)計(jì)算污物箱在最大von mises等效應(yīng)力下材料的利用系數(shù)為0.79<1，因此在靜態(tài)工況下滿足強(qiáng)度要求。

3 污物箱疲勞計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 污物箱疲勞工況

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1：2010和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1720-2010，采用PⅡ類規(guī)定的載荷，保壓載荷為-25 kPa，計(jì)算滿箱時(shí)的狀況，疲勞計(jì)算工況見(jiàn)表5。

表5疲勞工況

3.2 疲勞工況結(jié)果分析

根據(jù)EN12663-1：2010規(guī)定，本次有限元分析所采用的安全系數(shù)如表6。

表6EN12663-1：2010規(guī)定的安全系數(shù)

仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9-圖16。

圖9 F01工況變形云圖和應(yīng)力云圖

圖10 F02工況變形云圖和應(yīng)力云圖

圖11 F03工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖12 F04工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖13 F05工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖14 F06工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖15 F07工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖16 F08工況應(yīng)力云圖和變形云圖

由圖9-圖16的仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，污物箱最大von mises等效應(yīng)力發(fā)生在F06工況，在污物箱的吊耳懸掛處von mises等效應(yīng)力最大，其值為126.06 MPa，產(chǎn)生于吊耳懸掛處；最大變形發(fā)生在F02工況，在污物箱內(nèi)箱體上部的中間位置處變形量最大，最大變形量為0.91 mm，由公式(1)和公式(2)計(jì)算污物箱在最大von mises等效應(yīng)力下材料的利用系數(shù)為0.71<1，因此在疲勞工況下滿足強(qiáng)度要求。

4 污物箱模態(tài)分析

集中動(dòng)力動(dòng)車組在行駛過(guò)程中由于車輪與軌道的相互碰撞引起整列車發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)污物箱固有頻率與列車的振動(dòng)頻率相同時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，將會(huì)對(duì)污物箱吊梁產(chǎn)生嚴(yán)重破壞[5]。因此，有必要對(duì)550 L污物箱進(jìn)行模態(tài)分析，選取污物箱主框架前6階模態(tài)振型及其固有頻率如表7，其6階模態(tài)振型圖如圖17-圖22。

表7污物箱模態(tài)分析結(jié)果

由表7可看出污物箱的一階固有頻率為22.66 Hz，大于集中動(dòng)力動(dòng)車組在運(yùn)行時(shí)的一階振動(dòng)頻率(10 Hz ～14 Hz)，因此污物箱滿足設(shè)計(jì)要求。

圖17 一階模態(tài)振型圖 圖18 二階模態(tài)振型圖

圖19 三階模態(tài)振型圖 圖20 四階模態(tài)振型圖

圖21 五階模態(tài)振型圖 圖22 六階模態(tài)振型圖

5 結(jié)論

根據(jù)EN12663-1：2010設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)集中動(dòng)力動(dòng)車組550 L污物箱分別進(jìn)行了靜態(tài)、疲勞以及模態(tài)仿真計(jì)算，利用材料利用系數(shù)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。由計(jì)算結(jié)果可知：

1)在靜態(tài)工況和疲勞工況下，550 L污物箱的最大von mises等效應(yīng)力均發(fā)生在吊耳處，在內(nèi)箱體上部的中間位置處變形量最大。

2)在不同的加速度載荷作用下，550 L污物箱的最大von mises等效應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求。

3)550L污物箱的一階固有頻率大于集中動(dòng)力動(dòng)車組在運(yùn)行時(shí)的一階振動(dòng)頻率，滿足設(shè)計(jì)要求。