劉 亮， 蔣愛軍， 馮云明

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

動車組車下某設(shè)備箱箱門在使用時主要起防塵、防水的防護(hù)作用， 要求其不但有足夠的強(qiáng)度還要有足夠的剛度， 即在全開、 開合及搬運(yùn)過程中箱門無明顯扭曲變形。因此，合理設(shè)計(jì)箱門結(jié)構(gòu)使其具有足夠的剛度滿足使用要求是十分必要的。

本文使用ABAQUS 有限元分析軟件，采用有限元仿真模擬的方法， 對動車組某車下設(shè)備箱3 種不同結(jié)構(gòu)的箱門進(jìn)行了靜剛度仿真模擬， 得到了箱門的形變云圖并進(jìn)行了對比分析。基于箱門靜剛度仿真模擬分析結(jié)果，選擇合適的箱門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行產(chǎn)品加工， 成功解決了箱門剛度不足問題。

1 箱門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動車組某車下設(shè)備箱箱門由門板、多孔橡膠密封條、密封條限位板（可視為加強(qiáng)板）、壓力鎖、掛鉤和把手組成，見圖1。 為使產(chǎn)品輕量化，箱門門板及加強(qiáng)板均使用鋁合金材質(zhì)。門板厚2mm，鈑金成形后，門板長L=1380mm，寬B=515mm，翻邊后整體高H=37mm。 加強(qiáng)板厚1.5mm，鈑金成L 形。

圖1 所示箱門為原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)， 門板與加強(qiáng)版焊接成一體后，在加工搬運(yùn)過程即出現(xiàn)明顯扭曲變形問題。 為提高箱門整體剛度，設(shè)計(jì)師暫停了原始結(jié)構(gòu)箱門的加工，對箱門進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖1 箱門Fig.1 The box door

影響箱門剛度的主要因素是構(gòu)件的輪廓尺寸， 而不是材料的厚度[1]。 通過在箱門中心平板區(qū)域設(shè)置加強(qiáng)板， 增加該區(qū)域輪廓尺寸的方法， 設(shè)計(jì)出圖2 和圖3 兩種優(yōu)化方案。

圖2 優(yōu)化方案1Fig.2 The Optimization Scheme No.1

圖3 優(yōu)化方案2Fig.3 The Optimization Scheme No.2

2 箱門剛度仿真計(jì)算

使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，需要加工出3 種不同結(jié)構(gòu)的箱門實(shí)物， 進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度對比，選擇出合適的設(shè)計(jì)方案。如果這3 種結(jié)構(gòu)均不能滿足剛度需求，則需要再次改進(jìn)，加工實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證。 這種反復(fù)的過程需要耗費(fèi)人力、物力和時間。 通過計(jì)算機(jī)有限元仿真模擬的方法，可以有效地模擬各種結(jié)構(gòu)的箱門在擬設(shè)狀況下的響應(yīng)情況，從而為箱門設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論參考，減少產(chǎn)品試加工次數(shù)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

2.1 有限元模型

使用有限元法對箱門進(jìn)行靜剛度仿真模擬， 計(jì)算中的單位約定為：長度單位為mm，力的單位為N，應(yīng)力單位為MPa。 對箱門作一下簡化處理：

（1）忽略多孔橡膠密封條、掛鉤和把手部件。

（2）忽略箱門上掛鉤鉚接孔、把手安裝孔等小孔特征。

（3）門板與加強(qiáng)板、加強(qiáng)板與加強(qiáng)板之間的焊接關(guān)系通過ABAQUS 軟件的綁定（Tie）功能來模擬。

箱門及與加強(qiáng)板是薄壁鈑金件， 其長度方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度方向的尺寸，符合殼單元的理論假設(shè)，所以采用殼單元對各個部件進(jìn)行離散化[2]。采用四邊形單元對箱門三維幾何模型劃分網(wǎng)格，門板網(wǎng)格目標(biāo)邊長為5mm，加強(qiáng)板網(wǎng)格目標(biāo)邊長為4mm， 初始方案箱門劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖4 所示。

圖4 有限元模型Fig.4 The finite element model

2.2 工況介紹

為模擬箱門彎曲變形， 以門板一條對角線為軸建立箱門的簡支梁模型。 在門板兩個對角點(diǎn)正下方建立兩個參考點(diǎn)RP-1、RP-2，如圖4 所示，分別將門板直角一定區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)與各自下方的參考點(diǎn)建立耦合（Coupling）剛性連接。 對參考點(diǎn)RP-1 施加全固定約束，稱其為固支點(diǎn)，對參考點(diǎn)RP-2 僅施加Z=0 位移約束，稱其為簡支點(diǎn)。

設(shè)重力加速度沿Z 方向， 計(jì)算箱門在自重工況下的靜態(tài)變形。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

基于相同設(shè)置， 建立3 種結(jié)構(gòu)箱門的有限元模型并提交計(jì)算后， 使用ABAQUS 軟件后處理程序獲得箱門在設(shè)定載荷工況下的位移云圖如圖5～7 所示。

圖5 原始方案位移云圖Fig.5 Displacement contour plots of the original scheme

圖6 優(yōu)化方案1 位移云圖Fig.6 Displacement contour plots of the optimization scheme No.1

圖7 優(yōu)化方案2 位移云圖Fig.7 Displacement contour plots of the optimization scheme No.2

分析位移云圖5 可知， 箱門簡支點(diǎn)端懸空角處向下彎曲變形，變形程度最大，有限元仿真模擬結(jié)果與箱門實(shí)際變形狀態(tài)一致。

將3 種結(jié)構(gòu)箱門最大變形計(jì)算結(jié)果及幾何模型重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1。 分析表1 可知，原始結(jié)構(gòu)箱門在設(shè)定工況下最大變形位移高達(dá)27.65mm，變形率（最大位移/門寬）高達(dá)5.36%，彎曲變形明顯。 優(yōu)化方案1 箱門相對原始設(shè)計(jì)，產(chǎn)品重量增加20.08%，變形率降低71.1%。 優(yōu)化方案2 箱門相對原始設(shè)計(jì)，產(chǎn)品重量增加30.02%，變形率降低84.74%。

表1 計(jì)算結(jié)果Tab.1 The calculation results

3 最終設(shè)計(jì)方案

箱門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 首先要保證整套裝置可以正常工作，在此基礎(chǔ)上。 要最大限度的減少原材料的使用，在構(gòu)件種類的選擇上也要減少[3]。 因此，箱門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合產(chǎn)品功能需求、材料消耗、加工工藝、經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素。 本文所設(shè)計(jì)的箱門最終在產(chǎn)品重量許可范圍內(nèi)選擇了變形率最小的優(yōu)化方案2，并在原始方案半成品基礎(chǔ)上按優(yōu)化方案2 進(jìn)行加工生產(chǎn)，產(chǎn)品實(shí)樣如圖8。 經(jīng)實(shí)際安裝使用驗(yàn)證，箱門剛度滿足使用需求。

圖8 優(yōu)化方案2 箱門產(chǎn)品實(shí)樣Fig.8 The product sample of the optimization scheme No.2

4 結(jié)語

本文利用ABAQUS 有限元分析軟件， 采用有限元分析的方法， 對動車組某車下設(shè)備箱3 種不同結(jié)構(gòu)的箱門進(jìn)行了靜剛度仿真模擬。 有限元仿真模擬獲得的箱門形變趨勢與箱門實(shí)際變形狀態(tài)一致。 經(jīng)過對3 種結(jié)構(gòu)箱門的變形率、重量等因素對比分析，最終在重量許可范圍內(nèi)選擇了變形率最小的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行加工生產(chǎn)。 經(jīng)實(shí)際安裝使用驗(yàn)證，箱門剛度滿足使用需求。使用有限元方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段開展仿真模擬分析， 可以為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論參考，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。