動(dòng)車水箱安裝座的強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)改進(jìn)

陳雪+楊磊

摘要： 為使動(dòng)車上的水箱安裝座具備足夠的強(qiáng)度，以保證連接的可靠性，利用三維實(shí)體建模并用HyperWorks對(duì)水箱安裝座進(jìn)行有限元計(jì)算；依據(jù)EN 12663：2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水箱安裝座進(jìn)行強(qiáng)度校核并針對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn).結(jié)果表明：改進(jìn)后的模型設(shè)計(jì)能夠滿足EN 12663：2010的標(biāo)準(zhǔn)；CAE軟件的應(yīng)用為水箱安裝座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞： 動(dòng)車； 水箱安裝座； 靜強(qiáng)度； 強(qiáng)度校核； 有限元

中圖分類號(hào)： U260.2；TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

引言

不銹鋼水箱是鐵路運(yùn)輸中必備的專業(yè)儲(chǔ)水設(shè)備.為保證水箱與動(dòng)車車體連接安全，其安裝必須滿足動(dòng)車在復(fù)雜載荷作用下的強(qiáng)度要求.隨著仿真技術(shù)在工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，CAE的應(yīng)用已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段必不可少的技術(shù)手段.[12]本文以水箱安裝座為例，利用有限元法和HyperWorks對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算并反饋指導(dǎo)設(shè)計(jì)，為校驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性及其方案的改進(jìn)提供參考依據(jù).

1有限元模型建立

1.1水箱安裝座初始設(shè)計(jì)

不銹鋼水箱為700 mm×400 mm×380 mm的箱形件，水箱滿水時(shí)的總質(zhì)量為186 kg.依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行安裝座的初始設(shè)計(jì)，其中箱體兩側(cè)的安裝支座分別與動(dòng)車車體的端墻和車頂固定.水箱和安裝座的外觀見圖1.

圖 1水箱和安裝座的外觀

Fig.1Appearance of water tank and its installation brackets

1.2坐標(biāo)系確定

坐標(biāo)系選取動(dòng)車前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向（縱向），豎直向上為z軸正方向（垂向），y軸（與車輛橫軸一致）以右手法則確定，見圖2.

圖 2坐標(biāo)系

Fig.2Coordinate system

1.3材料設(shè)置和網(wǎng)格劃分

水箱箱體為不銹鋼板材，因?yàn)殚L度和寬度值遠(yuǎn)大于厚度，所以可采用殼單元進(jìn)行模擬.[3]以厚度為2 mm的殼單元模擬箱體，水箱無水時(shí)的總質(zhì)量為22 kg，水箱的材料為不銹鋼SST316，其密度為7.85×103 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3.支座采用板材Al5A05，密度為2.7×103 kg/m3，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.3.[46]支座與箱體的連接焊縫通過Rigid剛性單元模擬，支座間采用螺栓進(jìn)行連接.利用HyperMesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，殼單元以邊長為10 mm的四邊形為主、三角形為輔，共計(jì)17 605個(gè)單元，17 534個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型見圖3.圖 3有限元模型

Fig.3Finite element model

1.4載荷和邊界條件

為校驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性，載荷需按照動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行加載.在水箱滿水時(shí)，因水的重力作用，水箱底部受到沿z軸負(fù)方向的壓力，而水箱壁所受的水壓呈三角線性分布，兩者均可通過設(shè)置Pressure的參數(shù)對(duì)水壓進(jìn)行載荷模擬.同時(shí)，根據(jù)EN 12663：2010標(biāo)準(zhǔn)[7]以加速度形式對(duì)整個(gè)模型施加慣性載荷，6種工況見表1.結(jié)合水箱安裝座的實(shí)際約束情況，在安裝座與車體連接的8個(gè)螺栓處施加全約束.

表 1加載工況

Tab.1Loading conditions工況垂向加速度az橫向加速度ay縱向加速度ax1-g3g2-g-3g3-gg4-g-g5-3g6g注：g為重力加速度，取值為9.81 m/s2

2有限元計(jì)算及結(jié)果分析

利用Radioss求解器對(duì)已完成前處理的模型進(jìn)行求解，得到安裝座的靜強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表2.

表 2靜強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Tab.2Statistical results of static strength工況最大應(yīng)力值/MPa屈服強(qiáng)度/MPa安全因數(shù)1113.601451.28268.801452.11364.461452.25462.711452.315136.901451.06645.631453.18

由表2可知：工況5（az=-3g）為最惡劣工況，且最大應(yīng)力值為136.90 MPa，雖未超出材料的屈服強(qiáng)度，但安全因數(shù)為1.06，小于1.15，不滿足EN 12663：2010標(biāo)準(zhǔn)，因此不符合強(qiáng)度要求，需要對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn).該工況下最大應(yīng)力的位置見圖4，出現(xiàn)在下方支座螺栓孔附近.

圖 4工況5應(yīng)力云圖，MPa

Fig.4Stress contour under working condition 5，MPa

由最大應(yīng)力區(qū)域的云圖可以看出，靠近螺栓孔的外側(cè)應(yīng)力明顯大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力，說明支座依靠外側(cè)肋板傳力較大，因此可以通過削弱外側(cè)肋板的受力，將受力途徑向螺栓孔的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到降低螺栓孔外側(cè)應(yīng)力的目的.根據(jù)以上分析，可采取縮減下方支座肋板面積的方法對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)模型見圖5.

圖 5改進(jìn)前后模型

Fig.5Models before and after improvement

3改進(jìn)后模型重新校核

改進(jìn)后的模型計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，可知：經(jīng)改進(jìn)后的模型在工況5的最大應(yīng)力由136.9 MPa降為124.8 MPa，安全因數(shù)為1.16>1.15，應(yīng)力云圖見圖6；較大應(yīng)力仍存在于工況1和工況5中，但6種工況均未達(dá)到屈服極限，且安全因數(shù)都能滿足EN 12663：2010標(biāo)準(zhǔn)，符合強(qiáng)度條件，驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性.

表 3改進(jìn)后模型的靜強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Tab.3Statistical results of static strength of improved model工況最大應(yīng)力值/MPa屈服強(qiáng)度/MPa安全因數(shù)1125.501451.16274.831451.94360.461452.40458.631452.475124.801451.16641.591453.49

圖 6改進(jìn)后模型的應(yīng)力云圖，MPa

Fig.6Stress contour of improved model，MPa

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化改進(jìn)后的模型不僅解決原支座的強(qiáng)度缺陷，使其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，而且支座的質(zhì)量由3.14 kg降為2.93 kg，節(jié)省原材料，降低成本.

4結(jié)束語

有限元計(jì)算顯示，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)不僅能夠滿足動(dòng)車運(yùn)行中水箱安裝座在不同工況下的靜強(qiáng)度要求，而且節(jié)省原材料的使用，降低成本.可見，CAE軟件的應(yīng)用可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.參考文獻(xiàn)：

[1]杜宏云， 施紅星. 計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）在汽車開發(fā)中的應(yīng)用與展望[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化， 2004（4）： 39 40.

DU Hongyun， SHI Hongxing. Apply and forecast Computer Aided Engineering （CAE） in development of vehicle[J]. Commun Standardization， 2004（4）： 39 40.

[2]側(cè)衛(wèi)， 微涼， 曉立. 國防CAE軟件應(yīng)用調(diào)查報(bào)告[J]. 航空制造技術(shù)， 2008（21）： 14.

Cewei， Weiliang， Xiaoli. Survey report of CAE software application in national defense[J]. Aeronautical Manufacturing Technol， 2008（21）： 14.

[3]李邦國， 王群偉， 孫棟棟， 等. 制動(dòng)控制箱結(jié)構(gòu)特性分析[J]. 鐵道機(jī)車車輛， 2011， 31（5）： 105107.

LI Bangguo， WANG Qunwei， SUN Dongdong， et al. Structure characteristics analysis of brake control box[J]. Railway Locomotive & Car， 2011， 31（5）： 105107.[4]GB/T 2880.1—2006一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材[S].

[5]王鈺棟， 金磊， 洪清泉. HyperMesh & HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2012： 5066.

[6]張勝蘭， 鄭冬黎， 郝琪， 等. 基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2007： 7990.

[7]EN 12663：2010Structural requirements of railway vehicle bodies[S].

（編輯 武曉英）

圖 6改進(jìn)后模型的應(yīng)力云圖，MPa

Fig.6Stress contour of improved model，MPa

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化改進(jìn)后的模型不僅解決原支座的強(qiáng)度缺陷，使其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，而且支座的質(zhì)量由3.14 kg降為2.93 kg，節(jié)省原材料，降低成本.

4結(jié)束語

有限元計(jì)算顯示，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)不僅能夠滿足動(dòng)車運(yùn)行中水箱安裝座在不同工況下的靜強(qiáng)度要求，而且節(jié)省原材料的使用，降低成本.可見，CAE軟件的應(yīng)用可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.參考文獻(xiàn)：

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（編輯 武曉英）

圖 6改進(jìn)后模型的應(yīng)力云圖，MPa

Fig.6Stress contour of improved model，MPa

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化改進(jìn)后的模型不僅解決原支座的強(qiáng)度缺陷，使其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，而且支座的質(zhì)量由3.14 kg降為2.93 kg，節(jié)省原材料，降低成本.

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有限元計(jì)算顯示，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)不僅能夠滿足動(dòng)車運(yùn)行中水箱安裝座在不同工況下的靜強(qiáng)度要求，而且節(jié)省原材料的使用，降低成本.可見，CAE軟件的應(yīng)用可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.參考文獻(xiàn)：

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[7]EN 12663：2010Structural requirements of railway vehicle bodies[S].

（編輯 武曉英）