基于有限元法的動(dòng)車組行李架優(yōu)化分析

王宇馳 李占一

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司設(shè)備研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春//第一作者，工程師)

動(dòng)車組行李架位于客室座椅上方，供旅客乘放行李、隨身物品等，是動(dòng)車內(nèi)部設(shè)備的重要組成部分。近年來，隨著工業(yè)水平的提高以及對(duì)美觀性需求的增大，通常選擇鋼化玻璃板或聚碳酸酯板作為承載面板，其優(yōu)點(diǎn)是表面通透方便旅客查看行李，且能增強(qiáng)動(dòng)車組客室光亮度。

鋼化玻璃面板剛度大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受力后變形量小，但玻璃的尖角沖擊和自爆問題無法避免；聚碳酸酯面板密度小，質(zhì)量輕，加工性與可塑性好，受力變形后易恢復(fù)，但硬度低，剛度小，受力狀態(tài)下變形較大，使用時(shí)易出現(xiàn)劃痕。因此，行李架設(shè)計(jì)時(shí)，面板材料和結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)顯得非常重要。

1 行李架結(jié)構(gòu)與材質(zhì)

動(dòng)車組行李架主要由托架、型材框架和承載面板3個(gè)部分構(gòu)成，通過插接、壓接、螺釘連接等方式組裝固定。其中，承載面板主要有鋁板、鋼化玻璃板和聚碳酸酯隔板3種形式。

現(xiàn)以某型號(hào)動(dòng)車組行李架(長(zhǎng)度2 040 mm)為例介紹其結(jié)構(gòu)組成。行李架由左右托架、前型材、承載面板、后型材、拉桿、支架、銷軸等部件構(gòu)成，如圖1所示。現(xiàn)保持結(jié)構(gòu)不變，只更改承載面板材質(zhì)，通過行李架受力及變形情況探討鋼化玻璃板承載與聚碳酸酯板承載的差異性。

圖1 動(dòng)車組行李架結(jié)構(gòu)

2 行李架有限元模型

有限元模型的前處理和后處理均通過Abaqus分析軟件實(shí)現(xiàn)。由于行李架部件多，建模工作量大，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理以減少計(jì)算量，因此，模型中忽略了較小的圓角、倒角等細(xì)節(jié)。忽略這些元素不會(huì)對(duì)所關(guān)心的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，但可以大大減小計(jì)算量，提高工作效率[1]。模型中端部托架、銷軸、前后型材采用線性實(shí)體單元C3D8R劃分，其余部件采用殼單元S4R劃分,整個(gè)模型的單元數(shù)約為27.4萬個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)約為20.8萬個(gè)。離散后的行李架有限元模型如圖2所示。

圖2 行李架有限元模型

邊界條件為在行李架表面施加均布載荷2 040 N(均載1 000 N/m)，在前端型材中部施加850 N集中力。

3 材料參數(shù)與計(jì)算載荷

行李架有限元模型中共涉及6種材料，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)UIC 566標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算載荷考慮變形最大的一種工況[2],即行李架沿長(zhǎng)度方向施加均布載荷1 000 N/m，前端型材中部施加集中力850 N。

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 12663—2000《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定，動(dòng)車組行李架結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況的載荷綜合作用下，材料的許用應(yīng)力與計(jì)算等效應(yīng)力之比不應(yīng)小于DIN EN 12663標(biāo)準(zhǔn)中第3.4.2節(jié)中給出的安全系數(shù)S值。若取材料許用應(yīng)力值為其屈服應(yīng)力值進(jìn)行校核，則安全系數(shù)S1=1.15，若取材料許用應(yīng)力值為其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校核，則安全系數(shù)S2=1.5[3],即：

表1 行李架材料參數(shù)

式中：

Rp0.2——材料許用應(yīng)力；

σm——材料抗拉強(qiáng)度；

σc——計(jì)算等效應(yīng)力。

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 位移結(jié)果

圖3和圖4給出了支撐面板分別為鋼化玻璃和聚碳酸酯板的位移云圖。從位移云圖上可以看出，鋼化玻璃位移為41.36 mm，聚碳酸酯板位移為59.08 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書最大位移不得超過45 mm的要求，此結(jié)構(gòu)的聚碳酸酯板行李架不合格。

圖3 鋼化玻璃板行李架位移云圖

由此可見,在相同結(jié)構(gòu)和相同載荷的條件下，聚碳酸酯板的位移比鋼化玻璃要大。需要特別指出的是，前后型材的抗彎截面系數(shù)直接決定行李架的位移量，特別是前型材的抗彎截面系數(shù)的影響最為明顯。

圖4 聚碳酸酯板行李架位移云圖

5.2 最大等效應(yīng)力

通過計(jì)算得到每個(gè)主要部件的應(yīng)力云圖分布及最大等效應(yīng)力。圖5為鋼化玻璃板行李架應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為222.8 MPa，發(fā)生在支架拐點(diǎn)處(見圖6)；圖7為聚碳酸酯板行李架應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為273.6 MPa，發(fā)生在前端托架處(見圖8)。

圖5 鋼化玻璃板行李架應(yīng)力云圖

圖6 鋼支架應(yīng)力云圖分布(σmax=222.8 MPa)

兩種承載面板行李架的各部件受力情況如表2所示。由表2可見，當(dāng)前型材的位移量較小時(shí)，托架和框架型材的強(qiáng)度能滿足要求；當(dāng)前型材的位移量較大時(shí)，托架和框架型材的強(qiáng)度不足。因此，前型材的位移量影響托架和型材的應(yīng)力大小，而前型材的位移量則由其抗彎截面系數(shù)決定。

圖7 聚碳酸酯板行李架應(yīng)力云圖

圖8 前端托架應(yīng)力云圖(σmax=273.6 MPa)

6 結(jié)果分析及改進(jìn)建議

由表1的材料參數(shù)可見，鋼化玻璃的彈性模量比聚碳酸酯板的彈性模量大很多。根據(jù)線應(yīng)力除以線應(yīng)變等于彈性模量的關(guān)系可知，相同條件下，對(duì)相同截面積的鋼化玻璃板和聚碳酸酯板在相同位置施加相等的應(yīng)力時(shí)，聚碳酸酯板的變形量會(huì)比鋼化玻璃大很多，這與計(jì)算結(jié)果相吻合。

由于彈性模量是材料固有的性質(zhì)，無法改變，因此，若采用聚碳酸酯板為承載面板，則需考慮加強(qiáng)行李架的主要框架強(qiáng)度，以保證行李架整體強(qiáng)度和零部件的安全系數(shù)。

首先考慮將最容易變形的前型材強(qiáng)度增強(qiáng)，并將左右托架壁厚加大，以達(dá)到行李架整體強(qiáng)度要求[4]。根據(jù)梁的強(qiáng)度條件，純彎曲梁的最大彎曲正應(yīng)力σmax≤[σ]。對(duì)于等截面直梁，中性軸為橫截面對(duì)稱軸，則有:

表2 行李架各部件等效應(yīng)力

σmax=Mmax/Wz

式中：

Mmax——最大彎矩；

Wz——抗彎截面系數(shù)。

抗彎截面系數(shù)越大，材料的最大彎曲正應(yīng)力越小?？招膱A截面的抗彎截面系數(shù)計(jì)算公式為:

式中：

D——空心圓截面外徑；

d——空心圓截面內(nèi)徑。

空心圓截面的抗彎截面系數(shù)與外徑的3次方成正比，外徑越大相應(yīng)的抗彎截面系數(shù)越大;另外,壁厚(D-d)越大相應(yīng)的抗彎截面系數(shù)也越大。

綜上所述，若承載面板由鋼化玻璃更改為聚碳酸酯板，則需考慮加大框架型材外徑及壁厚的優(yōu)化措施。優(yōu)化后再次進(jìn)行有限元計(jì)算得出，優(yōu)化后的聚碳酸酯板行李架最大變形量為39.01 mm，部件最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼支架支座拐角處，為235.5 MPa，均符合要求。圖9和圖10為優(yōu)化后的行李架位移和鋼支架應(yīng)力云圖。表3為優(yōu)化后聚碳酸脂板行李架各部件等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

圖9 優(yōu)化后聚碳酸酯板行李架位移云圖

7 結(jié)論

(1) 原行李架結(jié)構(gòu)不變的情況下，聚碳酸酯板承載位移量比鋼化玻璃板要大,且前型材位移量影響托架和型材的應(yīng)力大小。

(2) 前后型材的抗彎截面系數(shù)對(duì)行李架的位移量影響顯著，特別是前型材的抗彎截面系數(shù),其影響最為明顯。因此，在設(shè)計(jì)行李架時(shí)，需要綜合考慮，如果對(duì)行李架抗變形要求高，就需要選用抗彎截面系數(shù)較大的型材。

表3 優(yōu)化后聚碳酸酯板行李架各部件等效應(yīng)力

圖10 優(yōu)化后鋼支架應(yīng)力云圖

(3) 通過分析比較可知，聚碳酸酯板具有密度小，質(zhì)量輕、可塑性好的優(yōu)勢(shì)，適用于動(dòng)車組行李架承載面板,但同時(shí)應(yīng)考慮加強(qiáng)框架的強(qiáng)度。