鞠盈子 龐學(xué)博 程顯耀 薛鑫

摘要：動(dòng)力集中動(dòng)車組客車裝備柜式空調(diào)機(jī)組安裝在設(shè)備間端部司機(jī)室側(cè)?？照{(diào)系統(tǒng)主要包括：壓縮機(jī)、換熱器、風(fēng)機(jī)、節(jié)流裝置、制冷管路、控制閥和開關(guān)，空調(diào)控制盤和箱體。本文對(duì)動(dòng)力集中動(dòng)力車空調(diào)裝置箱體進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算，利用HyperMesh建立有限元模型，并結(jié)合實(shí)際工況，采用ANSYS軟件對(duì)空調(diào)裝置進(jìn)行有限元分析，為下一步?jīng)_擊振動(dòng)試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力集中動(dòng)力車;空調(diào)裝置箱體;有限元分析

0? 引言

普通鐵路客車有很大的市場(chǎng)需求，動(dòng)力集中動(dòng)車組是未來鐵路主型客運(yùn)列車，該動(dòng)力集中動(dòng)車組客車裝備柜式空調(diào)機(jī)組，安裝在設(shè)備間端部司機(jī)室側(cè)，以調(diào)節(jié)司機(jī)室內(nèi)空氣濕度以及氣流速度和溫度等參數(shù)。該空調(diào)系統(tǒng)主要包括：壓縮機(jī)、換熱器、風(fēng)機(jī)、節(jié)流裝置、制冷管路、控制閥和開關(guān)，空調(diào)控制盤和箱體?？蛙嚳照{(diào)機(jī)組均采用單元式結(jié)構(gòu)，空調(diào)為前出風(fēng)下回風(fēng)型式，將車外新鮮空氣吸入并于車內(nèi)再循環(huán)空氣混合，在過濾灰塵及雜質(zhì)后，通過風(fēng)道分配至車內(nèi)，以保證車內(nèi)潔凈度及合理流動(dòng)速度及氣流組織，冬季，通風(fēng)機(jī)將吸入車內(nèi)外的混合空氣加熱后送入車內(nèi)?？蛙囋诟咚龠\(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)空調(diào)裝置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求，因此，對(duì)空調(diào)裝置箱體進(jìn)行有限元仿真分析，可以了解空調(diào)機(jī)箱在不同工況下箱體受力情況，提前預(yù)測(cè)箱體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中可能存在的缺陷，并對(duì)薄弱位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1? 箱體有限元模型建立及約束邊界

本文以動(dòng)集動(dòng)力車空調(diào)機(jī)箱作為研究對(duì)象，利用有限元分析法來有效分析此類結(jié)構(gòu)，本文采用ANSYS和HyperMesh程序來計(jì)算動(dòng)集動(dòng)力車空調(diào)裝置強(qiáng)度有限元分析，這兩種軟件的建模和分析功能在汽車交通、造船、航空航天等工業(yè)已獲得廣泛應(yīng)用，對(duì)所得相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，保證動(dòng)集動(dòng)力車空調(diào)機(jī)箱結(jié)構(gòu)使用的可靠性，并為后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及空調(diào)機(jī)組整改提供數(shù)據(jù)理論支持。

動(dòng)集動(dòng)力車空調(diào)裝置的有限元模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元為主，與板單元相比，殼單元由于結(jié)合考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，因此具有更高的計(jì)算精度。整個(gè)結(jié)構(gòu)有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為43100，單元總數(shù)為42559。箱體的有限元模型如圖1所示，箱體內(nèi)外吊裝各部件模塊通過集中質(zhì)量方式施加在其重心處，模塊質(zhì)量單元分布位置如圖2所示，箱體強(qiáng)度分析的邊界條件施加位置如圖3，在1、2、3、4、5、6六個(gè)吊掛點(diǎn)施加三向平動(dòng)位移約束。圖中的坐標(biāo)軸X、Y、Z正方向分別對(duì)應(yīng)車體的橫向、縱向、垂向。

2? 箱體靜強(qiáng)度分析

2.1 箱體有限元模型載荷工況的施加

根據(jù)本文所研究的內(nèi)容為空調(diào)機(jī)箱的分析計(jì)算，各種工況下靜強(qiáng)度分析依據(jù)EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)中要求，空調(diào)裝置靜強(qiáng)度分析參考了如下6種計(jì)算工況 ：

①計(jì)算工況1：縱向加速度為5.0g，垂向加速度為-1.0g;

②計(jì)算工況2：縱向加速度為-5.0g，垂向加速度為-1.0g;

③計(jì)算工況3：橫向加速度為1.0g，垂向加速度為-1.0g;

④計(jì)算工況4：橫向加速度為-1.0g，垂向加速度為-1.0g;

⑤計(jì)算工況5：垂向-1.0g+2.0g;

⑥計(jì)算工況6：垂向-1.0g-2.0g。

評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)依據(jù)EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的要求，在既定的靜強(qiáng)度工況下，計(jì)算Von Mises應(yīng)力不應(yīng)該超過相應(yīng)材料的許用應(yīng)力（205MPa），靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析的載荷均施加在箱體組成部件上，g=9.81m/s2。

2.2 箱體有限元模型剛度及強(qiáng)度結(jié)果分析

既定6種靜強(qiáng)度工況下箱體的最大計(jì)算結(jié)果及最大位移變形值如表1和表2所示，應(yīng)力最大點(diǎn)主要發(fā)生在箱體隔板與蒸發(fā)風(fēng)機(jī)安裝座連接處。

3? 箱體疲勞分析

3.1 疲勞理論基本思想

研究成果表明，由于在焊接過程中結(jié)構(gòu)焊縫及其附近存有達(dá)到或接近屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力，不管外加動(dòng)應(yīng)力的循環(huán)特性如何，焊縫附近的實(shí)際循環(huán)應(yīng)力是從母材的屈服應(yīng)力向下擺動(dòng)。例如，標(biāo)稱應(yīng)力為+？滓1到-？滓2，則其應(yīng)力范圍為？滓y-（+？滓1-？滓2）。但接頭中的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)范圍將由？滓y（達(dá)到屈服點(diǎn)的應(yīng)力幅值）到？滓y-（？滓1+？滓2）。這說明，實(shí)際應(yīng)力范圍和與其相關(guān)的疲勞循環(huán)次數(shù)、疲勞強(qiáng)度主要與施加應(yīng)力范圍有關(guān)，而最大、最小循環(huán)應(yīng)力值以及應(yīng)力循環(huán)特性對(duì)它的影響較小。這一點(diǎn)在研究焊接接頭疲勞強(qiáng)度時(shí)是非常重要的，這意味著焊接接頭的疲勞性能許用應(yīng)力范圍概念的表述是科學(xué)的。因此，BS7608-1993標(biāo)準(zhǔn)采用應(yīng)力范圍來描述S-N曲線，如圖4。圖4所示的BS7608-1993標(biāo)準(zhǔn)的S-N曲線是以應(yīng)力范圍和循環(huán)次數(shù)表示的，且為雙斜率曲線，標(biāo)準(zhǔn)中各種焊接接頭對(duì)應(yīng)疲勞強(qiáng)度的高低以疲勞等級(jí)（FAT）表示，它對(duì)應(yīng)于循環(huán)200萬次的常幅應(yīng)力范圍的值。

BS7608-1993標(biāo)準(zhǔn)的壽命預(yù)測(cè)算法原理是基于Miners損傷累計(jì)理論。該理論的主要假設(shè)是：等幅疲勞載荷譜作用下，每次循環(huán)加載所造成的損傷增量相等且獨(dú)立可加;多級(jí)變幅疲勞載荷譜作用下，各級(jí)循環(huán)加載所造成的損傷增量獨(dú)立可加;材料疲勞破壞所對(duì)應(yīng)的臨界損傷是一常量，僅依賴于材料特性，與載荷譜及加載歷程無關(guān)。以ni表示載荷譜中應(yīng)力范圍為？駐？滓i的循環(huán)次數(shù)，Ni表示在該應(yīng)力范圍時(shí)將導(dǎo)致?lián)p壞的循環(huán)總數(shù)，則在下式情況時(shí)出現(xiàn)疲勞破壞：

式中，？駐？滓0為評(píng)估點(diǎn)的S-N曲線拐點(diǎn);m為S-N曲線斜率。

3.2 疲勞工況的載荷施加

在各疲勞計(jì)算工況作用下，選取空調(diào)裝置3個(gè)疲勞強(qiáng)度薄弱部位作為評(píng)估點(diǎn)，在橫向、縱向、垂向分別施加疲勞計(jì)算工況△0.3g。

3.3 疲勞結(jié)果分析

依據(jù)BS7608-1993標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于應(yīng)力變化范圍小于許用應(yīng)力變化范圍的低應(yīng)力循環(huán)，對(duì)疲勞損傷也有貢獻(xiàn)。在疲勞計(jì)算工況作用下，箱體評(píng)估點(diǎn)的累積損傷如表3。

選取的3個(gè)評(píng)估點(diǎn)位置的疲勞累積損傷比均小于1，箱體的疲勞強(qiáng)度滿足BS7608-1993標(biāo)準(zhǔn)要求。

4? 總結(jié)

本文通過對(duì)動(dòng)集動(dòng)力車空調(diào)箱體進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度有限元分析，依據(jù)相關(guān)要求，對(duì)不同工況下的靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)分析，得出了以下結(jié)論，空調(diào)裝置的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果均在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi);在疲勞工況下，各評(píng)估點(diǎn)的疲勞損傷累計(jì)均小于1，因此空調(diào)裝置箱體的靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度均滿足要求。由計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為下一步的沖擊振動(dòng)試驗(yàn)分析提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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