鐵路客車用水箱防波板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘 要：本文以某鐵路局食堂車凈水裝置水箱為研究對(duì)象，采用Simufact Welding、Abaqus軟件從焊接分析以及結(jié)構(gòu)分析兩方面對(duì)水箱內(nèi)部防波板結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行對(duì)比分析。從焊接分析結(jié)果來看，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)稍優(yōu)于改進(jìn)前，焊接應(yīng)力更小，且具有進(jìn)一步優(yōu)化的空間;結(jié)構(gòu)分析方面，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，防波板的作用更明顯，水箱端板受力有所改善。

關(guān)鍵詞：水箱;防波板;焊接;結(jié)構(gòu)

1 研究對(duì)象

1.1 作用意義

鐵路客車用水箱內(nèi)設(shè)有防波板，其作用為：當(dāng)水箱運(yùn)動(dòng)形式突變（例如車輛急加速、急減速）時(shí)，阻礙內(nèi)部流體劇烈晃動(dòng)，均衡各板的沖擊受力，進(jìn)而減小變形，有利于提高水箱整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

以單方向加速度為例，對(duì)比有、無防波板的水箱內(nèi)部情況。如圖1（a）所示，水箱內(nèi)部無防波板，在水箱運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部水因?yàn)閼T性會(huì)迅速擠壓匯集于后端面，水瞬間的慣性力全由后端板乃至頂板來承擔(dān)，隨著運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，內(nèi)部水逐漸趨于平穩(wěn)。

如圖1（b）所示，水箱內(nèi)部有防波板，當(dāng)水箱運(yùn)動(dòng)時(shí)，在水箱運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)榉啦ò宓拇嬖?，水不?huì)全部匯集于后端，防波板將水分割成兩個(gè)腔，各個(gè)腔內(nèi)水的慣性力接近原來一半，并分別由后端板和防波板共同承擔(dān)，隨著運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，前腔的水會(huì)通過防波板的流水口流到后腔，最終流動(dòng)域形狀與無防波板時(shí)情況近似。

1.2 研究改進(jìn)

早期水箱的防波板結(jié)構(gòu)，一般都為平面板材上開流水口，與底板之間的連接方式為雙側(cè)交叉段焊，這種結(jié)構(gòu)以及焊接形式，會(huì)導(dǎo)致兩焊縫之間的距離過近，在無法完全控制焊接質(zhì)量的情況下，很容易導(dǎo)致母材局部應(yīng)力過大，材料變性嚴(yán)重，進(jìn)而產(chǎn)生變形以及銹蝕;后期水箱結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進(jìn)，內(nèi)部防波板一般都采用翻邊結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

這種結(jié)構(gòu)會(huì)在防波板根部以及翻邊處添加兩條焊縫（段焊），在一定程度上解決了以往兩條焊縫過近導(dǎo)致的問題，但該結(jié)構(gòu)存在的問題為在水箱完工酸洗磷化時(shí)，根部翻邊處容易存留清洗雜質(zhì)，不斷對(duì)焊縫及母材進(jìn)行腐蝕，且在日常使用過程中，水里面的雜質(zhì)由于沉降也會(huì)堆積于此處，不便清理影響水質(zhì)。

本文提出一種新的防波板結(jié)構(gòu)——整體折彎造型，如圖3所示：

該結(jié)構(gòu)，擬通過板材折彎錯(cuò)位產(chǎn)生前后面，并在錯(cuò)開的前后面根部焊接，這樣既可以將相鄰焊縫分開，又解決了殘存雜質(zhì)的問題。

本文后續(xù)內(nèi)容將從焊接分析以及結(jié)構(gòu)分析兩方面對(duì)改進(jìn)前后效果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 焊接分析

本次焊接模擬計(jì)算，先采用Hypermesh對(duì)水箱模型前處理，生成bdf網(wǎng)格文件，后導(dǎo)入Simufact Welding中進(jìn)行計(jì)算。

2.1 熱源模型選擇

本次計(jì)算采用的是半橢球熱源模型，該熱源模型前半部分是1/4橢球，后半部分是不同尺寸的1/4橢球，熔池模型如圖4所示，y軸正方向?yàn)楹附右苿?dòng)方向：

模型中前半部分和后半部分的熱流密度分布函數(shù)為：

其中，前軸長af=3mm，后軸長ar=6mm，寬度b=3mm，深度c=3mm，電壓U=140v，電流I=25A，熱效率η=0.85。

2.2 焊接計(jì)算

因?yàn)楦膭?dòng)前后，僅底部焊接方式有變化，所以焊接計(jì)算只計(jì)算底部焊縫。

為盡可能接近實(shí)際焊接情況，焊接過程中設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)加裝了10個(gè)夾具，用于固定板材，焊槍方向?yàn)楹缚p夾角角平分線方向，焊腳尺寸為4mm。

焊接順序?yàn)閱蝹?cè)焊接完成后，對(duì)側(cè)焊接，焊接環(huán)境溫度為20℃，相鄰兩焊接之間間隔1S，焊后預(yù)留10S冷卻時(shí)間。

網(wǎng)格文件導(dǎo)入軟件，如圖5，圖6所示。

2.3 焊接計(jì)算結(jié)果

2.3.1 焊接變形量

改進(jìn)前與改進(jìn)后的焊縫變形量對(duì)比見圖10，圖11所示。

2.3.2 焊接應(yīng)力

改進(jìn)前與改進(jìn)后的焊接應(yīng)力對(duì)比見圖12，圖13所示。

2.4 焊接結(jié)果分析

從焊接變形量結(jié)果可得，改進(jìn)后變形量0.5mm比改進(jìn)前0.47mm大，分析原因?yàn)楦暮笳蹚澰煨偷倪^渡處，正面背面的焊縫相距較近。后期應(yīng)考慮改變焊接方式，減少過渡斜邊處焊量。

從焊接應(yīng)力來看，改后353.26N/mm?優(yōu)于改前361.99N/mm?。

此次計(jì)算僅為底部一條焊縫，在實(shí)際操作過程中，焊接應(yīng)力會(huì)在后續(xù)的焊接中產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，整體的應(yīng)力會(huì)在沖擊振動(dòng)和保壓中逐漸釋放，轉(zhuǎn)化為變形，所以從焊接角度來看，應(yīng)力低的更優(yōu)。

3 結(jié)構(gòu)分析

在運(yùn)行過程中，流體對(duì)水箱箱體的沖擊不可忽略，因此本次結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的是雙向流固耦合分析，水箱運(yùn)行形式為作急加速運(yùn)動(dòng)，水箱帶動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，流體運(yùn)動(dòng)引起水箱受力變形，水箱變形影響流體流動(dòng)域的變化。

3.1 抽取中面

由于水箱是薄壁部件，所以本次計(jì)算用抽取中面的形式計(jì)算，原因?yàn)椋阂皇怯脷卧x予厚度代替實(shí)體單元會(huì)明顯降低計(jì)算量，二是薄壁件部件在受力變形時(shí)，如果厚度方向網(wǎng)格較少會(huì)使計(jì)算效果失真。

將Catia中裝配完成的水箱模型導(dǎo)入Hypermesh中，抽取中面，如圖14所示：

賦予材料屬性（304不銹鋼）：密度：7.93×103kg/m?;彈性模量：194020Mpa;泊松比：0.3。

3.2 計(jì)算設(shè)定

將inp文件導(dǎo)入到abaqus中，檢查水箱屬性定義是否準(zhǔn)確，確認(rèn)無誤后，進(jìn)行以下設(shè)置：

（1）建立流體模型（半箱水），并定義密度、粘性和狀態(tài)方程;（2）將流體模型與水箱“裝配”后，如圖15所示;（3）建立動(dòng)力顯式分析步，分析時(shí)長為8.5s，開啟幾何非線性，進(jìn)行質(zhì)量縮放設(shè)置;（4）定義流體與水箱之間的接觸關(guān)系;（5）定義載荷，整體定義豎向重力加速度9.8m/s2，箱體受運(yùn)動(dòng)方向4m/s2的加速度，載荷情況如圖16所示;（6）流體網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格，流體單元類型為C3D8R;（7）作業(yè)流程建立。

3.3 計(jì)算結(jié)果

改進(jìn)前與改進(jìn)后的應(yīng)力圖對(duì)比見圖17，圖18所示。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

改前方案、改后方案水箱應(yīng)力集中區(qū)域都發(fā)生在防波板底部及水箱后端板，如圖19，圖20所示：

防波板根部應(yīng)力26.7MPa，水箱后端板應(yīng)力28.1MPa;

防波板根部應(yīng)力30.3MPa，水箱后端板應(yīng)力23.2MPa;

由以上數(shù)據(jù)可得，改進(jìn)后方案，防波板根部應(yīng)力更大，水箱后端板的應(yīng)力更小，防波板對(duì)流體的晃動(dòng)抑制更為有效。

4 總結(jié)

本文是以水箱內(nèi)部僅有一塊防波板為例，從焊接分析和結(jié)構(gòu)分析兩方面，對(duì)比改進(jìn)前后的防波板結(jié)構(gòu)。

對(duì)于焊接分析而言，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)由于焊接應(yīng)力小，所以稍優(yōu)于改進(jìn)前;受力分析來說，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，防波板分擔(dān)的沖擊力更大，降低了端板的沖擊，作用更明顯。

此次計(jì)算雖稍顯優(yōu)化，但防波板仍有很大的優(yōu)化空間，比如防波板折彎造型后，流水口是否有更優(yōu)的開設(shè)尺寸和開設(shè)位置;焊接形式是否有更優(yōu)的順序和方式;防波板的數(shù)量與焊接變形之間怎樣做到一個(gè)最優(yōu)解等，在以后的工作中應(yīng)予以關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：劉麗君（1986-），女，甘肅定西人，本科，高級(jí)工程師，目前從事鐵路客車給水、衛(wèi)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。