基于有限元的動車裙板強度分析

任萬躍 姚騰達 劉 寧 相貝貝

(中車株洲電力機車有限公司工業(yè)設(shè)計研究所 湖南 株洲 412001)

0 引言

車外裙板在動車中的應(yīng)用越來越廣泛，裙板位于車輛頂部和底部，主要用于保護車底車頂設(shè)備、改善空氣動力學(xué)、減小設(shè)備噪聲輻射以及滿足外觀美觀功能。由于車輛運行速度快，對裙板提出了更高的要求，不僅要有足夠的強度，還應(yīng)具備高可靠性，同時還要操作便捷和維護簡單[1]。本文旨在對動車裙板和安裝進行設(shè)計分析，提高裙板質(zhì)量及安全，保障車輛運行安全。

1 裙板功能

1.1 裙板簡介

由于車輛的運行速度提高，空氣阻力加大，能耗隨之加大，對車上及車下設(shè)備保護的要求變得更高。裙板通常安裝在車輛的下方，裙板有三大分類：轉(zhuǎn)向架裙板、中間裙板、端部裙板等，三種結(jié)構(gòu)形式的裙板，起到保護車下設(shè)備、導(dǎo)流通風(fēng)及保持通風(fēng)質(zhì)量的作用。同時可以改善空氣動力學(xué)，增加美觀性[2]。

1.2 裙板設(shè)計特點分析

動車裙板安裝在車下，主要起到保護車下設(shè)備作用，同時要易于車輛檢修，基于此做如下設(shè)計[3]。

設(shè)計方案：整個裙板結(jié)構(gòu)是由裙板、裙板安裝座、L吊板、安全吊繩、壓縮式方孔鎖、裙板撐桿組成。裙板與裙板之間的間隙為6 mm，不同的裙板之間有裙板共用一個裙板安裝座，保證連接處安全可靠。裙板安裝座靠螺栓及鎖緊螺母連接緊固到車體上，裙板和安裝座之間是由緊固插銷連接，便于裙板的上下翻動，易于維修(見圖1)。

設(shè)計特點：采用了輕量化、美觀性的設(shè)計，裙板材料主要由鋁合金材料焊接而成，這種材料密度小，同時結(jié)構(gòu)的強度高，滿足結(jié)構(gòu)的輕量化要求以及美觀性能。

安全性及方便性：為方便列車在運行過程中車輛設(shè)備的維護，需要在裙板上安裝裙板鎖，用方孔鎖來實現(xiàn)裙板的開關(guān)以及閉合功能，每個裙板上至少兩把鎖，鎖采用自鎖功能的壓縮式方孔鎖，鎖舌不能自由轉(zhuǎn)動，需要方孔鎖鑰匙實現(xiàn)開關(guān)功能，保證安全性。同時在裙板上設(shè)置安全繩，確保在鎖失效的情況下能夠拉住裙板，防止裙板飛出，保證車輛運行的安全性。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 原結(jié)構(gòu)存在的問題

車輛在60萬km試驗運行過程中，發(fā)現(xiàn)一些問題：(1)裙板結(jié)構(gòu)太短，導(dǎo)致車下一部分設(shè)備沒有完全蓋?。?2)端部裙板開裂，端部裙板一部分是懸臂結(jié)構(gòu)，在車輛運行過程中，由于空氣的作用，會導(dǎo)致懸臂結(jié)構(gòu)受力開裂；(3)裙板安裝座是焊接結(jié)構(gòu)，加工困難；(4)車下清水及污物排除困難。因此，有必要設(shè)計單獨的一種結(jié)構(gòu)接口實現(xiàn)污物處理，這樣不用通過方孔鎖的鑰匙打開裙板，可以直接清理污物，也實現(xiàn)裙板結(jié)構(gòu)的安全可靠。

2.2 設(shè)計優(yōu)化

針對在實際車輛運營過程中出現(xiàn)的問題，對裙板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化過程如下：

(1)針對裙板結(jié)構(gòu)高度小導(dǎo)致車下設(shè)備裸露在外的情況，加長裙板高度，由345.5 mm變?yōu)?60.1 mm；

(2)城際動車組車底端部裙板開裂問題，增加彎梁支撐點；

(3)針對連接座焊接困難，優(yōu)化裙板連接座，改為型材結(jié)構(gòu)(見圖2)；

圖2 裙板連接座結(jié)構(gòu)

(4)設(shè)計一種滑道結(jié)構(gòu)，保證在裙板閉合狀態(tài)可以清理污物。如圖3所示，整個結(jié)構(gòu)在非工作狀態(tài)下靠本身重力自鎖，在使用時候可以用人力向上拉動，進而進行清理。

圖3 裙板清潔結(jié)構(gòu)

3 裙板結(jié)構(gòu)強度分析

3.1 概述

為解決CJ6型城際動車組車底端部裙板開裂問題，將裙板鉸接座改為整體承載(取消局部打斷)、增加彎梁支撐點，同時加長裙板高度，改進后車體裙板由2塊端部裙板和4塊中間裙板組成，模型如圖1所示。裙板上部通過轉(zhuǎn)軸鉸接在彎梁撐桿上，下部通過鎖固定在彎梁上，裙板和彎梁之間用毛氈隔振；彎梁上部通過螺栓吊掛在車體底架邊梁C型槽中；彎梁為型材結(jié)構(gòu)。裙板按TB/T 3260.4《動車組用鋁及鋁合金第四部分：型材》要求的6005A-T6性能執(zhí)行。主要參考EN 12663-1《鐵路應(yīng)用-鐵路車身的結(jié)構(gòu)要求》、《200 km及以上速度級鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定》對裙板進行有限元分析。

坐標系原點位于車體邊梁上端面上。X軸(對應(yīng)于車體縱向)的正向是運動方向，Z軸(對應(yīng)于車體垂向)的正向向上，Y軸(對應(yīng)于車體橫向)位于水平面上，形成了一個右手坐標系。

3.2 載荷工況

按照設(shè)計提出的裙板仿真計算接口要求：在超常載荷工況下對裙板施加4 kPa的氣動壓強，并考慮對整個模型施加垂向3g、橫向1g、縱向3g的加速度工況，在這些慣性力的沖擊下而不出現(xiàn)塑性變形(g為重力加速度)。按照上述要求，裙板可組合成6個靜強度計算工況。靜強度載荷計算工況如表1所示。

表1 裙板靜強度載荷計算工況

3.3 材料性能及評判標準

鋁合金型材選用TB/T 3260.4《動車組用鋁及鋁合金第四部分：型材》要求的6005A-T6，根據(jù)標準EN 12663-1的規(guī)定：車體在所有靜載荷工況的載荷作用下，車體應(yīng)力安全系數(shù)S1均取1.15。其中材料性能參數(shù)如下：材料，6005A-T6；彈性模量，7.1×104MPa；泊松比，0.33；材料密度，2.77×103kg/m3；屈服強度，215 MPa。

3.4 有限元模型建立

首先簡化模型，不同位置裙板結(jié)構(gòu)相似，因此選擇其中連接最弱的一塊裙板，計算結(jié)構(gòu)強度，如果這塊裙板滿足要求，那其他裙板也能滿足要求。裙板選擇如下，這塊裙板靠2個連接座與彎梁連接，建立模型，網(wǎng)格劃分結(jié)果如表2所示。

表2 網(wǎng)格劃分結(jié)果特征表

在裙板強度有限元計算中，裙板自重以施加重力加速度形式在模型中考慮；氣動壓強以施加均布力的形式作用于裙板處；螺栓連接利用固定連接模擬，作用力作用在螺栓作用面；裙板鉸接座和彎梁的鉸接利用MPC 184鉸接單元模擬，作用力作用在鉸接作用面，共5處鉸接位置模擬。裙板的邊界條件施加過程中，約束施加在車體邊梁上部。

3.5 計算結(jié)果及分析

靜載荷各個計算工況下裙板上最大等效應(yīng)力及位置如表3所示。結(jié)果表明：裙板的計算應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)S1均大于1.15。如圖4所示，最小安全系數(shù)為1.32，發(fā)生在工況3載荷下裙板連接座鉸接位置處。靜載荷各工況應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 應(yīng)力云圖

表3 靜強度計算工況最大等效應(yīng)力及位置表

4 結(jié)論

以上針對裙板開裂問題，對裙板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行了強度分析，主要得到如下結(jié)論：

(1)通過優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，減小焊接工作量，同時通過一個污物清理結(jié)構(gòu)，減少裙板的開關(guān)，使污物清理更加方便。

(2)運用有限元法對結(jié)構(gòu)進行力學(xué)的強度分析，靜強度結(jié)果指出：裙板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為161.8 MPa，最小安全系數(shù)為1.32，發(fā)生在工況3載荷下裙板連接座鉸接位置處。裙板結(jié)構(gòu)靜強度計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。