鐵路客車設(shè)備安裝梁強(qiáng)度分析

李 豐，李守律，張林楠，李 宏，曹 源，張玉琢

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111；2.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

鐵路客車設(shè)備安裝梁強(qiáng)度分析

李 豐1，李守律1，張林楠1，李 宏1，曹 源2，張玉琢2

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111；2.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

鐵路客車車下設(shè)備安裝梁是車下重要承載結(jié)構(gòu)，對(duì)其強(qiáng)度有嚴(yán)格的要求。本文首先建立了設(shè)備安裝梁的有限元模型，計(jì)算設(shè)備艙總體應(yīng)力分布以評(píng)定其結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度。之后利用Goodman疲勞曲線圖對(duì)設(shè)備艙疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析和計(jì)算。結(jié)果表明，在三向沖擊載荷及動(dòng)載荷下，設(shè)備艙結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)運(yùn)用要求，達(dá)到了驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)安全性的目的。

設(shè)備艙；鐵路客車；有限元；靜強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度

鐵路客車車下設(shè)備安裝梁不僅承受車下設(shè)備重量，還起到設(shè)備艙骨架梁的作用，是車下重要的承載結(jié)構(gòu)。在客車運(yùn)行時(shí)，該種安裝梁會(huì)同時(shí)承受車下設(shè)備與設(shè)備艙的振動(dòng)與沖擊，因此對(duì)其強(qiáng)度有較高要求。有限元分析能夠利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行模擬，用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。因此本文利用有限元仿真分析的手段對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

1 設(shè)備安裝梁有限元模型建立

因設(shè)備安裝梁起到設(shè)備艙骨架作用，設(shè)備艙受力變形情況復(fù)雜，難以在分析中對(duì)設(shè)備安裝梁施以簡(jiǎn)單的載荷，所以需在分析時(shí)將設(shè)備艙的幾何模型一起建立。根據(jù)某設(shè)備艙工程圖紙，建立其三維模型，如圖1所示。設(shè)備艙分為兩段，主體位于兩轉(zhuǎn)向架之間，一小部分位于二位轉(zhuǎn)向架外側(cè)。利用Hypermesh劃分網(wǎng)格，將劃好的網(wǎng)格導(dǎo)入Abaqus建立有限元模型。有限元模型采用殼單元進(jìn)行計(jì)算，選用S4R單元，模型共包含486 931個(gè)單元和482 690個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖2所示。將建立的殼單元導(dǎo)入Abaqus有限元分析軟件中進(jìn)行強(qiáng)度分析[1]，強(qiáng)度分析標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[2]。

圖1 設(shè)備艙三維結(jié)構(gòu)

圖2 設(shè)備艙有限元模型

安裝在設(shè)備艙骨架上的車下設(shè)備有6個(gè)，見表1。安裝位置均在枕內(nèi)，如圖3所示。由于二位轉(zhuǎn)向架外側(cè)的設(shè)備艙骨架上未安裝設(shè)備，下文中的有限元云圖只顯示兩轉(zhuǎn)向架之間的主體設(shè)備艙部分。

表1 車下設(shè)備參數(shù)表

圖3 車下設(shè)備安裝圖

2 設(shè)備安裝梁靜強(qiáng)度分析

2.1 設(shè)備安裝梁靜載荷工況

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中車體附屬設(shè)備規(guī)定，設(shè)備振動(dòng)分為垂向、橫向、縱向。選取標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于P-II類型車輛（動(dòng)車組車輛）的振動(dòng)要求，附屬設(shè)備額外振動(dòng)加速度值見表2。

表2 車下設(shè)備額外振動(dòng)加速度

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定橫向、縱向額外振動(dòng)加速度需分別與垂向1 g疊加計(jì)算，垂向額外振動(dòng)加速度需與設(shè)備凈重一起施加。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)備艙工況設(shè)置見表3。

表3 設(shè)備艙工況設(shè)置

2.2 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中規(guī)定，母材區(qū)許用應(yīng)力為材料屈服強(qiáng)度，見表4，焊縫附近母材許用應(yīng)力需考慮1.1倍安全系數(shù)。

表4 材料靜強(qiáng)度許用應(yīng)力

6種車下設(shè)備安裝在5個(gè)區(qū)域，其中隔離變壓器+逆變器（以下稱模塊1）和充電機(jī)組安裝在同一設(shè)備艙內(nèi)，其他4個(gè)車下設(shè)備分別安裝在4個(gè)區(qū)域。經(jīng)仿真后，得到7種工況下設(shè)備安裝梁最大應(yīng)力點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 設(shè)備艙局部應(yīng)力分布圖

將所得結(jié)果列于表5。

表5 設(shè)備艙有限元計(jì)算結(jié)果單位：Mpa

根據(jù)表5設(shè)備艙總體應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果，可以得出，各個(gè)工況下，設(shè)備艙的工作應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，設(shè)備艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足靜強(qiáng)度要求。

3 設(shè)備安裝梁疲勞強(qiáng)度分析

設(shè)備艙疲勞強(qiáng)度分析采用Goodman疲勞曲線圖進(jìn)行[3～4]，其使用方法是：任何應(yīng)力點(diǎn)如果處于封閉折線之上或之外，表示在指定循環(huán)N次疲勞之后或經(jīng)過N次疲勞，材料都將發(fā)生斷裂，若應(yīng)力點(diǎn)處于封閉折線之內(nèi)，則說明在指定循環(huán)N次疲勞之后或經(jīng)過N次疲勞，材料是安全的。疲勞強(qiáng)度評(píng)定具體步驟是：

（1）確定疲勞載荷工況，確定結(jié)構(gòu)在不同載荷工況作用下結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力，包括主應(yīng)力大小和方向；

（2）將所有載荷工況作用下結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力方向確定為基本應(yīng)力分布方向，其值為最大計(jì)算主應(yīng)力σmax，計(jì)算其與結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)線（或計(jì)算模型的整體坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸線）的夾角；

（3）將在其他載荷工況作用下的主應(yīng)力投影到基本應(yīng)力分布方向上，應(yīng)力值確定為最小主應(yīng)力σmin；

（4）由最大和最小主應(yīng)力值計(jì)算平均應(yīng)力和應(yīng)力幅，用修正Goodman疲勞曲線評(píng)定結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

3.1 疲勞載荷工況確立

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中對(duì)車體附屬設(shè)備疲勞工況的規(guī)定，設(shè)置設(shè)備艙疲勞載荷工況[5]，具體設(shè)置見表6。

表6 設(shè)備艙疲勞載荷工況單位：g

3.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法

對(duì)于每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，記錄表6中規(guī)定的每種載荷工況下的應(yīng)力，從這些值中，取最小主應(yīng)力值σmin和最大主應(yīng)力值σmax，以便確定應(yīng)力均值σm和應(yīng)力幅值σa，其計(jì)算公式為[6]：

Goodman-Smith圖中提供了需要遵守的極限應(yīng)力，利用Smith形式的Goodman疲勞曲線進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。

3.3 設(shè)備安裝梁結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)定

3.3.1 疲勞工況有限元計(jì)算

6種工況下最大主應(yīng)力如圖5所示。

圖5 Q345E材料組最大主應(yīng)力圖

3.3.2 疲勞強(qiáng)度校核

將6種工況下獲得的最大主應(yīng)力匯總，獲得最大和最小主應(yīng)力，進(jìn)而得出平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，將獲得的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值繪制在材料Goodman疲勞極限曲線圖中，該圖可由簡(jiǎn)單的幾何作圖得到。其中抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和疲勞極限由標(biāo)準(zhǔn)給出，分別為480 MPa和345 MPa，疲勞極限由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得，應(yīng)用過程中需考慮安全系數(shù)，母材安全系數(shù)S=1.5，焊縫處安全系數(shù)為1.65，如圖6所示。

根據(jù)圖6可以看出，Q345E材料結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力均位于Goodman圖內(nèi)，結(jié)構(gòu)滿足無限壽命設(shè)計(jì)要求。

圖6 Q345E材料結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核

4 結(jié)束語(yǔ)

通過建立設(shè)備艙的有限元模型，完成設(shè)備安裝梁的靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度的仿真計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的安全性。計(jì)算結(jié)果表明，在規(guī)定的三向沖擊振動(dòng)條件下，設(shè)備安裝梁的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求；又通過分析可知，最大應(yīng)力集中在水箱安裝梁的安裝座附近。

[1]趙少汴，王中保.抗疲勞設(shè)計(jì)—方法與數(shù)據(jù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]EN12663-2010 Railway application-Structure requirement of railway vehicle bodies[S].Brussels:Comite Europeen de Normalisation,2010.

[3]趙永翔，楊 冰，彭佳純，等.鐵道車輛疲勞可靠性設(shè)計(jì)Goodman-Smith圖的繪制與應(yīng)用 [J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2005，25（6）：6-12.

[4]陳 雷，章梓茂.B 級(jí)車輪鑄鋼的疲勞可靠性設(shè)計(jì) Goodman-Smith圖[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，41(6)：705-708.

[5]Jack A Collins.Failure of Materials in Mechanical Design:Analysis Prediction,Prevention [M].New York:A Wiley-Interscience Publication,John Wiley &Sons，1993.

[6]項(xiàng) 彬，史建平，郭良彥，等.鐵路常用材料Goodman疲勞極限線圖的繪制與應(yīng)用[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23（4）：72-76.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Strength analysis of Equipment installation beam for railway passenger cars

LI Feng1,LI Shoulv1,ZHANG Linnan1,LI Hong1,CAO Yuan2,ZHANG Yuzhuo2
( 1.CSR Qingdao Sifang Locomotive &Rolling Stock Co.,Ltd.,Qingdao 266111,China;2.School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Passenger train’s equipment installation beam of railway passenger cars is an important bearing structure under the cars,so there are strict requirements on its strength.This article built up the fnite element model of the equipment installation beam,calculated the overall stress distribution of equipment compartment to assess its structure static strength,used Goodman fatigue curve to analyze and calculate the fatigue strength of equipment compartment.Results showed that the static strength and fatigue strength of the equipment compartment structure could meet the design requirements under three-dimensional impact load and dynamic load,reached the purpose of verifying the structure safety.

equipment compartment;railway passenger cars;fnite element;static strength;fatigue strength

U271∶TP39

A

1005-8451（2016）02-0016-04

2015-10-09

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAG12B01）。

李 豐，工程師；李守律，工程師。