動車組行李架的受力及試驗研究

張春暉， 高善豪

（山東省精神衛(wèi)生中心，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

動車組行李架是在動車內(nèi)部起著重要作用的一種結(jié)構(gòu)，其功能主要是對乘客的行李進(jìn)行放置及存放。動車組行李架主要可以分為3個部分：前部托架、隔板以及框架。前部托架與隔板之間主要通過螺栓連接，框架與外部動車也通過螺栓進(jìn)行連接［1］。行李架具有高強(qiáng)度，良好抗震性以及壽命較長等優(yōu)點(diǎn)，同時也存在設(shè)計過量等缺陷［2-3］。

輕量化設(shè)計成為了動車組行李架設(shè)計的一個重要的研究方向。在滿足測試試驗要求的前提下，能夠使行李架足夠輕量，不僅可以減少材料的浪費(fèi)，同時能夠較大程度的減小行李架的質(zhì)量，從而可以一定程度的減小動車的整機(jī)質(zhì)量。通過Creo3．0中設(shè)計結(jié)構(gòu)方案，不斷優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計完成后通過對行李架用國標(biāo)的相關(guān)檢驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗研究，再針對發(fā)生的問題進(jìn)行再次優(yōu)化，最終得出滿足要求的動車組行李架。

1 行李架結(jié)構(gòu)

對于行李架的結(jié)構(gòu)，選擇的材料既要有足夠的強(qiáng)度，同時應(yīng)該具有合適的剛度。行李架的2個托架間的跨距也尤為重要，在設(shè)計過程中應(yīng)該考慮行李架在中部的變形。利用Creo3．0 對行李架整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行三維設(shè)計，參照動車組常用行李架的基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并在建模過程中，將不必要的設(shè)計特征、較小的圓角、小孔等去除［4-5］，三維模型如圖1所示。

圖1 動車行李架結(jié)構(gòu)簡圖

2 行李架靜加載試驗分析

在Creo3．0 軟件中建立新設(shè)計的動車組行李架，在ANSYS Workbench17．0中進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，初步判定結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性［6］。通過實際的試驗分析，驗證理論分析的可靠性及設(shè)計的合理性。

網(wǎng)格劃分的好壞對分析結(jié)構(gòu)的可靠性起到了關(guān)鍵的作用［7］。不同程度的網(wǎng)格劃分會影響結(jié)構(gòu)的分析精度，而在網(wǎng)格劃分時，對于單元數(shù)量以及劃分精度的控制也決定著網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量［8-9］。對該簡化后的模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格后的Nodes數(shù)為819 479個，Elements為356 799個，劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。

按照行李架結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)以及所選擇的求解器，通過Mesh Metric中的Element Quality對行李架的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評估。

將模型的螺栓孔固定，按照1 000 N／m 的標(biāo)準(zhǔn)施加在行李架的受力面上，進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到最大變形量為18．317 mm，另2個觀測點(diǎn)的變形量分別為7．078 mm 及6．967 5 mm，如圖3所示。再在行李架的中間部位集中加載850 N 的作用力，可得到最大變形量為25．882 mm，另2個觀測點(diǎn)的變形分別為9．506 3 mm 及9．410 1 mm，如圖4所示。根據(jù)設(shè)計的要求，該變形量符合設(shè)計要求，同時滿足了輕量化設(shè)計。

圖2 行李架網(wǎng)格劃分圖

圖3 施加均布力作用下的總變形云圖

圖4 施加集中載荷后的總變形云圖

根據(jù)Creo3．0中設(shè)計的行李架的三維圖，進(jìn)行生產(chǎn)加工，得到行李架的成品。對行李架進(jìn)行靜加載試驗，首先按照1 000 N／m 的標(biāo)準(zhǔn)施加在行李架的鋼化玻璃上，再進(jìn)行850 N 的集中載荷的施加，如圖5所示。對靜力學(xué)分析中的受力點(diǎn)進(jìn)行實際的測量，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

圖5 行李架的靜加載試驗

表1 靜加載中各測試點(diǎn)的變形量 mm

通過實際的靜加載試驗得到試驗數(shù)據(jù)，行李架的變形量能較大程度的與靜力學(xué)分析吻合，從而驗證了運(yùn)用ANSYS Workbench17．0進(jìn)行靜力學(xué)分析的理論的可靠性，同時行李架的變形量符合行李架的設(shè)計要求。

3 行李架振動試驗分析

運(yùn)用DCS-12000-120-12電動振動試驗系統(tǒng)，對動車行李架分別進(jìn)行模擬長壽命試驗、沖擊試驗及功能性隨機(jī)振動試驗，對試驗后的行李架進(jìn)行分析，從而驗證行李架的試驗可靠性及投入生產(chǎn)的可行性。振動試驗：試驗按GB／T21563—2008 條款9中Ⅰ類A 級條件進(jìn)行。試驗條件見表2所示。當(dāng)質(zhì)量m＜500 kg，f1＝5 Hz，f2＝150 Hz。

沖擊試驗用來模擬產(chǎn)品使用過程中偶然情況。試驗按IEC 61373—2010中Ⅰ類A 級進(jìn)行。試驗條件見表3所示（沖擊波形為半正弦波）。

表2 模擬長壽命試驗條件

表3 沖擊試驗條件

功能性隨機(jī)振動試驗用來驗證產(chǎn)品在車輛可能的環(huán)境條件下能否正常工作，試驗條件見表4所示。

表4 功能性隨機(jī)振動試驗條件

圖6 行李架垂向試驗圖

將行李架安裝在振動試驗臺上，分別進(jìn)行垂向、橫向及縱向的振動測試試驗，如圖6所示。

對動車行李架在振動試驗臺上分別進(jìn)行了垂向、橫向、縱向的振動試驗分析，得到垂向模擬長壽命、沖擊正試驗、沖擊負(fù)試驗、功能性隨機(jī)試驗的圖譜如圖7～圖10所示；橫向模擬長壽命、沖擊正試驗、沖擊負(fù)試驗、功能性隨機(jī)試驗按照垂向試驗進(jìn)行相應(yīng)試驗；縱向模擬長壽命、沖擊正試驗、沖擊負(fù)試驗、功能性隨機(jī)試驗也按照垂向試驗進(jìn)行相應(yīng)試驗研究。

根據(jù)試驗結(jié)果分析，如圖7～圖10可得出，行李架滿足測試標(biāo)準(zhǔn)，試驗數(shù)據(jù)真實可靠，對振動試驗后的行李架進(jìn)行外觀檢查，無結(jié)構(gòu)性損傷。通過一系列振動試驗的測試，可證明動車行李架的設(shè)計符合實際的標(biāo)準(zhǔn)，并可以投入生產(chǎn)使用。

圖7 垂向模擬長壽命試驗圖譜

圖8 垂向沖擊正試驗圖譜

圖9 垂向沖擊負(fù)試驗圖譜

圖10 垂向功能性隨機(jī)試驗圖譜

4 結(jié)語

基于現(xiàn)有的行李架，對動車組行李架進(jìn)行了重新的優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)行了模型的建立。通過對行李架模型的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，又對行李架進(jìn)行實際的靜加載試驗，驗證了行李架符合設(shè)計的要求。對行李架一系列的振動測試試驗，驗證了該行李架符合投入生產(chǎn)使用的條件。該行李架的設(shè)計，優(yōu)先通過軟件進(jìn)行輕量化設(shè)計及模型的模擬試驗，再進(jìn)行試驗研究，能提高效率，節(jié)約成本。