張春暉， 高善豪

（山東省精神衛(wèi)生中心，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

動(dòng)車組行李架是在動(dòng)車內(nèi)部起著重要作用的一種結(jié)構(gòu)，其功能主要是對(duì)乘客的行李進(jìn)行放置及存放。動(dòng)車組行李架主要可以分為3個(gè)部分：前部托架、隔板以及框架。前部托架與隔板之間主要通過(guò)螺栓連接，框架與外部動(dòng)車也通過(guò)螺栓進(jìn)行連接［1］。行李架具有高強(qiáng)度，良好抗震性以及壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在設(shè)計(jì)過(guò)量等缺陷［2-3］。

輕量化設(shè)計(jì)成為了動(dòng)車組行李架設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的研究方向。在滿足測(cè)試試驗(yàn)要求的前提下，能夠使行李架足夠輕量，不僅可以減少材料的浪費(fèi)，同時(shí)能夠較大程度的減小行李架的質(zhì)量，從而可以一定程度的減小動(dòng)車的整機(jī)質(zhì)量。通過(guò)Creo3．0中設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后通過(guò)對(duì)行李架用國(guó)標(biāo)的相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，再針對(duì)發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行再次優(yōu)化，最終得出滿足要求的動(dòng)車組行李架。

1 行李架結(jié)構(gòu)

對(duì)于行李架的結(jié)構(gòu)，選擇的材料既要有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)應(yīng)該具有合適的剛度。行李架的2個(gè)托架間的跨距也尤為重要，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該考慮行李架在中部的變形。利用Creo3．0 對(duì)行李架整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，參照動(dòng)車組常用行李架的基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在建模過(guò)程中，將不必要的設(shè)計(jì)特征、較小的圓角、小孔等去除［4-5］，三維模型如圖1所示。

圖1 動(dòng)車行李架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 行李架靜加載試驗(yàn)分析

在Creo3．0 軟件中建立新設(shè)計(jì)的動(dòng)車組行李架，在ANSYS Workbench17．0中進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，初步判定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性［6］。通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)分析，驗(yàn)證理論分析的可靠性及設(shè)計(jì)的合理性。

網(wǎng)格劃分的好壞對(duì)分析結(jié)構(gòu)的可靠性起到了關(guān)鍵的作用［7］。不同程度的網(wǎng)格劃分會(huì)影響結(jié)構(gòu)的分析精度，而在網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于單元數(shù)量以及劃分精度的控制也決定著網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量［8-9］。對(duì)該簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格后的Nodes數(shù)為819 479個(gè)，Elements為356 799個(gè)，劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。

按照行李架結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)以及所選擇的求解器，通過(guò)Mesh Metric中的Element Quality對(duì)行李架的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

將模型的螺栓孔固定，按照1 000 N／m 的標(biāo)準(zhǔn)施加在行李架的受力面上，進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到最大變形量為18．317 mm，另2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的變形量分別為7．078 mm 及6．967 5 mm，如圖3所示。再在行李架的中間部位集中加載850 N 的作用力，可得到最大變形量為25．882 mm，另2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的變形分別為9．506 3 mm 及9．410 1 mm，如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，該變形量符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)滿足了輕量化設(shè)計(jì)。

圖2 行李架網(wǎng)格劃分圖

圖3 施加均布力作用下的總變形云圖

圖4 施加集中載荷后的總變形云圖

根據(jù)Creo3．0中設(shè)計(jì)的行李架的三維圖，進(jìn)行生產(chǎn)加工，得到行李架的成品。對(duì)行李架進(jìn)行靜加載試驗(yàn)，首先按照1 000 N／m 的標(biāo)準(zhǔn)施加在行李架的鋼化玻璃上，再進(jìn)行850 N 的集中載荷的施加，如圖5所示。對(duì)靜力學(xué)分析中的受力點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

圖5 行李架的靜加載試驗(yàn)

表1 靜加載中各測(cè)試點(diǎn)的變形量 mm

通過(guò)實(shí)際的靜加載試驗(yàn)得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，行李架的變形量能較大程度的與靜力學(xué)分析吻合，從而驗(yàn)證了運(yùn)用ANSYS Workbench17．0進(jìn)行靜力學(xué)分析的理論的可靠性，同時(shí)行李架的變形量符合行李架的設(shè)計(jì)要求。

3 行李架振動(dòng)試驗(yàn)分析

運(yùn)用DCS-12000-120-12電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)動(dòng)車行李架分別進(jìn)行模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)及功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)后的行李架進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證行李架的試驗(yàn)可靠性及投入生產(chǎn)的可行性。振動(dòng)試驗(yàn)：試驗(yàn)按GB／T21563—2008 條款9中Ⅰ類A 級(jí)條件進(jìn)行。試驗(yàn)條件見(jiàn)表2所示。當(dāng)質(zhì)量m＜500 kg，f1＝5 Hz，f2＝150 Hz。

沖擊試驗(yàn)用來(lái)模擬產(chǎn)品使用過(guò)程中偶然情況。試驗(yàn)按IEC 61373—2010中Ⅰ類A 級(jí)進(jìn)行。試驗(yàn)條件見(jiàn)表3所示（沖擊波形為半正弦波）。

表2 模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)條件

表3 沖擊試驗(yàn)條件

功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)用來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品在車輛可能的環(huán)境條件下能否正常工作，試驗(yàn)條件見(jiàn)表4所示。

表4 功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

圖6 行李架垂向試驗(yàn)圖

將行李架安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，分別進(jìn)行垂向、橫向及縱向的振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，如圖6所示。

對(duì)動(dòng)車行李架在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上分別進(jìn)行了垂向、橫向、縱向的振動(dòng)試驗(yàn)分析，得到垂向模擬長(zhǎng)壽命、沖擊正試驗(yàn)、沖擊負(fù)試驗(yàn)、功能性隨機(jī)試驗(yàn)的圖譜如圖7～圖10所示；橫向模擬長(zhǎng)壽命、沖擊正試驗(yàn)、沖擊負(fù)試驗(yàn)、功能性隨機(jī)試驗(yàn)按照垂向試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)；縱向模擬長(zhǎng)壽命、沖擊正試驗(yàn)、沖擊負(fù)試驗(yàn)、功能性隨機(jī)試驗(yàn)也按照垂向試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)研究。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，如圖7～圖10可得出，行李架滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)后的行李架進(jìn)行外觀檢查，無(wú)結(jié)構(gòu)性損傷。通過(guò)一系列振動(dòng)試驗(yàn)的測(cè)試，可證明動(dòng)車行李架的設(shè)計(jì)符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)，并可以投入生產(chǎn)使用。

圖7 垂向模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)圖譜

圖8 垂向沖擊正試驗(yàn)圖譜

圖9 垂向沖擊負(fù)試驗(yàn)圖譜

圖10 垂向功能性隨機(jī)試驗(yàn)圖譜

4 結(jié)語(yǔ)

基于現(xiàn)有的行李架，對(duì)動(dòng)車組行李架進(jìn)行了重新的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行了模型的建立。通過(guò)對(duì)行李架模型的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，又對(duì)行李架進(jìn)行實(shí)際的靜加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了行李架符合設(shè)計(jì)的要求。對(duì)行李架一系列的振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了該行李架符合投入生產(chǎn)使用的條件。該行李架的設(shè)計(jì)，優(yōu)先通過(guò)軟件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)及模型的模擬試驗(yàn)，再進(jìn)行試驗(yàn)研究，能提高效率，節(jié)約成本。