動車組設(shè)備艙結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

程建峰 林建軍

動車組設(shè)備艙結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

程建峰 林建軍

采用有限元方法分析動車組設(shè)備艙結(jié)構(gòu)在典型受載條件下的靜強(qiáng)度，揭示典型動車組設(shè)備艙結(jié)構(gòu)的薄弱部位；對比裙板彎鉤過渡段加筋式與加厚式優(yōu)化方案應(yīng)力分布，提出提升裙板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的更優(yōu)設(shè)計(jì)形式；對比骨架結(jié)構(gòu)腹板增厚前后應(yīng)力分布特征，提出設(shè)備艙骨架結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案；評定優(yōu)化后設(shè)備艙結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度結(jié)果，為動車組設(shè)備艙結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)提供參考。

動車組；設(shè)備艙；裙板；強(qiáng)度分布；有限元

動車組設(shè)備艙結(jié)構(gòu)是安裝于車下部位用以減小列車運(yùn)行時(shí)的空氣阻力、加強(qiáng)對車下懸掛裝置的保護(hù)的專用車體部件。由于動車組運(yùn)行線路復(fù)雜多樣，車下環(huán)境惡劣多變，設(shè)備艙必須具有較好的結(jié)構(gòu)特性才能滿足其高速運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)度要求，保證車下設(shè)備的正常功用。目前針對設(shè)備艙的研究工作主要著眼于其系統(tǒng)與組成部件的設(shè)計(jì)[1-4]，采用通用有限元分析軟件[5-6]，建立設(shè)備艙裙板及骨架數(shù)值仿真模型，開展相應(yīng)的強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。

1 設(shè)備艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及有限元建模

設(shè)備艙整體構(gòu)造見圖1（a），主要由裙板、底板、骨架和端板4部分組成，整體為箱形全封閉結(jié)構(gòu)，采用框架式骨架承載。依據(jù)其功用的不同，設(shè)備艙裙板又分為排風(fēng)、進(jìn)風(fēng)、滑窗、全密封4類。排風(fēng)裙板設(shè)有排風(fēng)窗口（見圖1（b）），進(jìn)風(fēng)裙板設(shè)有濾網(wǎng)和迷宮結(jié)構(gòu)，滑窗裙板主要用于水箱添水。裙板呈弧狀分布于設(shè)備艙兩側(cè)，底部經(jīng)弧形掛鉤連接于骨架邊梁，上端通過螺栓固定于車體邊梁，以便于安裝和檢修，其幾何斷面見圖1（c）。其骨架（見圖1（d））包括骨架邊梁、中部骨架、骨架立柱、端部蓋板托架等部件，經(jīng)其將各節(jié)艙體連接成連貫的整體。骨架邊梁分布于設(shè)備艙兩側(cè)，與裙板相連接，中部骨架橫向放置，分隔開車底設(shè)備。骨架立柱為工字形截面，頂端吊掛于車體底架邊梁。底板由鋁合金型材構(gòu)成，分段以滑槽方式嵌套于中部骨架中。

設(shè)備艙為一節(jié)一節(jié)循環(huán)相扣的節(jié)式連接結(jié)構(gòu)，且每節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型基本一致，因此選取跨度最大的單節(jié)設(shè)備艙進(jìn)行有限元建模，選用SHELL181單元進(jìn)行網(wǎng)格離散，該模型共有79 393個(gè)節(jié)點(diǎn)，90 732個(gè)單元，離散模型見圖2。

圖1 設(shè)備艙結(jié)構(gòu)幾何模型

圖2 帶滑窗裙板的單節(jié)設(shè)備艙離散模型

設(shè)備艙所用材料為A6N01S鋁型材，密度2．53× 10-6kg/mm3，彈性模量68 GPa，泊松比0．3，屈服極限230 MPa。在建模過程中，對設(shè)備艙裙板和骨架立柱上螺栓安裝處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行完全約束。

2 設(shè)備艙強(qiáng)度分析方法及結(jié)果

2.1 工況分析

基于EN 12663[7]鐵道車輛結(jié)構(gòu)要求，對設(shè)備艙結(jié)構(gòu)依表1所示載荷工況進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，考核結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。按安全系數(shù)1．6考慮，其許用應(yīng)力為143 MPa。

2.2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)EN 12663規(guī)范要求，在各工況對應(yīng)的受載條件下，設(shè)備艙結(jié)構(gòu)內(nèi)部的Von Mises應(yīng)力應(yīng)滿足許用應(yīng)力評定的要求。

2.3 仿真結(jié)果

對比各載荷工況可以發(fā)現(xiàn)，垂向動載荷為靜載荷的1．5倍，兩種氣動載荷形式相似，因而此部分研究僅選取II、III、IV三處典型工況進(jìn)行加載，各工況等效應(yīng)力極值及其出現(xiàn)的位置見表2。典型的代表性應(yīng)力云圖見圖3（工況IV）。計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)備艙在氣動載荷下呈現(xiàn)較大的應(yīng)力，裙板上彎鉤與裙板主板轉(zhuǎn)角處及骨架上立柱與中部骨架轉(zhuǎn)角處存在較大應(yīng)力，應(yīng)對裙板和骨架開展相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表1 載荷工況

表2 單節(jié)跨度最大設(shè)備艙等效應(yīng)力結(jié)果

圖3 工況IV下的應(yīng)力云圖

3 設(shè)備艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值仿真優(yōu)化

3.1 設(shè)備艙裙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用加筋與加厚形式改進(jìn)裙板上彎鉤與裙板主板轉(zhuǎn)角處的局部結(jié)構(gòu)，具體方案見圖4，其技術(shù)思路是通過增加結(jié)構(gòu)剛度減小其局部應(yīng)力。方案（a）即為在裙板掛鉤和主板連接處增加三角過渡，形成加筋結(jié)構(gòu)；方案（b）即通過增加折彎處板厚，由原始3 mm增加至6 mm，基本結(jié)構(gòu)不變?？紤]到設(shè)備艙在氣動載荷下有較大應(yīng)力，在氣動載荷工況下分別對3種類型裙板進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得到相應(yīng)的等效應(yīng)力結(jié)果（見表3）。

圖4 裙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

計(jì)算結(jié)果對比表明優(yōu)化后方案比優(yōu)化前其應(yīng)力明顯改善，兩種優(yōu)化方式的應(yīng)力結(jié)果差別不大，考慮到方案（a）的工藝較方案（b）復(fù)雜，因而采用方案（b）的改進(jìn)方案，增加折彎處板厚，改善局部應(yīng)力。優(yōu)化前后的對比結(jié)果見圖5。

3.2 設(shè)備艙骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

骨架最大應(yīng)力出現(xiàn)在骨架立柱與中部骨架連接處，為減小骨架的最大應(yīng)力，對立柱與中部骨架連接處進(jìn)行優(yōu)化，在骨架工字形截面的中間肋板兩側(cè)增加腹板，即增加中間腹板厚度。對比優(yōu)化前后設(shè)備艙骨架在氣動載荷作用下的等效應(yīng)力分布，所得結(jié)果見表4。可見，骨架優(yōu)化后應(yīng)力明顯減小，最大應(yīng)力位置仍為骨架立柱與中部骨架連接處，增加的骨架腹板很好地改善了立柱與中部骨架的應(yīng)力。

表3 裙板優(yōu)化前后應(yīng)力結(jié)果比較

4 設(shè)備艙結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度評定

對優(yōu)化后的設(shè)備艙整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂向載荷、縱向沖擊載荷、空氣氣動載荷等5種工況下強(qiáng)度進(jìn)行分析，所得應(yīng)力結(jié)果見表5。可見，優(yōu)化后的設(shè)備艙結(jié)構(gòu)在垂直載荷工況、縱向沖擊工況、空氣氣動載荷工況下，其最大等效應(yīng)力為67．05 MPa，小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力143 MPa，設(shè)備艙滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的靜強(qiáng)度要求。

圖5 裙板應(yīng)力云圖

表4 優(yōu)化前后骨架應(yīng)力結(jié)果比較

表5 優(yōu)化后設(shè)備艙等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

采用有限元方法，分析了靜載作用下動車組設(shè)備艙裙板、骨架優(yōu)化前后的應(yīng)力分布，并對優(yōu)化后的設(shè)備艙整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，得到以下結(jié)論：（1）在垂直靜載荷、縱向沖擊、空氣氣動載荷工況下，通過對設(shè)備艙結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)裙板彎鉤過渡處及骨架立柱與中部骨架連接處為其薄弱部位。（2）針對裙板及骨架的薄弱部位，提出了對應(yīng)的改進(jìn)方案，分析得出裙板采用增厚式優(yōu)化結(jié)構(gòu)較好，骨架腹板增厚可有效降低其應(yīng)力水平。（3）優(yōu)化前后的設(shè)備艙滿足其靜強(qiáng)度要求，整體強(qiáng)度得到明顯提升，建議采用改進(jìn)后設(shè)備艙結(jié)構(gòu)形式。

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[5] 王鈺東，金磊，洪清泉． HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級實(shí)例[M]． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

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[7] BS EN 12663 Railway applications——Structural requirements of railway vehicle bodies[S]． London，BSI，2000．

程建峰：南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，高級工程?師，山東?青島，?266111

林建軍：中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，碩士研究生，湖南 長沙，410075

責(zé)任編輯 楊環(huán)

U268.5

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1672-061X（2014）04-0011-04