動(dòng)車(chē)組頭部開(kāi)閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與仿真分析

胡哲龍

摘要：本文通過(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)組頭部開(kāi)閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，優(yōu)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。對(duì)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在不同運(yùn)行工況下的應(yīng)力及位移結(jié)果進(jìn)行了比較分析，并把仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組開(kāi)閉機(jī)構(gòu);設(shè)計(jì)優(yōu)化;有限元計(jì)算

安全、快捷、舒適是現(xiàn)代軌道交通追求的三大目標(biāo)。隨著列車(chē)的不斷提速，列車(chē)空氣阻力的影響越來(lái)越明顯，當(dāng)列車(chē)時(shí)速超過(guò)160Km/h時(shí)，空氣阻力占總阻力的70%;當(dāng)列車(chē)時(shí)速超過(guò)350Km/h時(shí)，空氣阻力占總阻力的90%以上。為了減少空氣阻力，高速列車(chē)的外型設(shè)計(jì)普遍采用流線型車(chē)體，并將車(chē)鉤等傳統(tǒng)列車(chē)產(chǎn)品上的一些外露設(shè)備、裝置安裝在車(chē)體的內(nèi)部，然后在外頭安裝頭部端蓋。

開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的主要用途是能使動(dòng)車(chē)組在非正常牽引工況下進(jìn)行調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)，流線型車(chē)頭蓋能方便地通過(guò)電控操作實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟、關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)與全自動(dòng)車(chē)鉤聯(lián)接，而在正常運(yùn)行時(shí)能保持動(dòng)車(chē)頭蓋的關(guān)閉和自鎖，以保持良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能及外形平整美觀。該裝置可避免動(dòng)車(chē)組進(jìn)行調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)，只能卸下車(chē)頭蓋，調(diào)車(chē)作業(yè)之后再裝上車(chē)頭蓋，這樣既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且易損壞車(chē)頭蓋。而且在運(yùn)輸高峰期時(shí)，通過(guò)該裝置能使兩列同樣的動(dòng)車(chē)組前端的流線型車(chē)頭蓋開(kāi)啟，以實(shí)現(xiàn)兩列動(dòng)車(chē)組的重聯(lián)運(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)組頭部開(kāi)閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，對(duì)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)在不同運(yùn)行工況下的應(yīng)力及位移結(jié)果進(jìn)行了比較分析，并把仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

1?有限元模型及邊界條件

有限元法是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。[1]在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程中，有限元的計(jì)算可歸結(jié)為三大方程的聯(lián)合統(tǒng)一[2]，平衡方程、幾何方程和物理方程—彈性本構(gòu)關(guān)系，靜力有限元平衡方程，其形式為：

模型中忽略了次要的圓角、倒角等細(xì)節(jié)，可以減小計(jì)算量，對(duì)所關(guān)心的計(jì)算結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生較大影響，有限元模型如圖1，模型的網(wǎng)格采用線性殼單元和非協(xié)調(diào)實(shí)體線性單元，整個(gè)模型單元數(shù)為83748，節(jié)點(diǎn)數(shù)為107879。模型的裝配、前處理、計(jì)算及后處理通過(guò)ABAQUS實(shí)現(xiàn)。

模型中共有兩種材料Q235和Q345，它們的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

2 計(jì)算載荷和約束條件

在開(kāi)閉機(jī)構(gòu)計(jì)算中所考慮的計(jì)算載荷主要包括：開(kāi)閉機(jī)構(gòu)本身的自重及各種工況下結(jié)構(gòu)所受載荷。運(yùn)行工況為分別為列車(chē)在350Km/h時(shí)速下明線單車(chē)、明線交會(huì)、隧道單車(chē)、隧道交會(huì)下開(kāi)閉機(jī)構(gòu)表面的空氣壓力，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的各個(gè)載荷工況施加到四個(gè)安裝座集中點(diǎn)上，模型的邊界條件，在上面六個(gè)定位孔和下部位置采用全約束。

3開(kāi)閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

開(kāi)閉機(jī)構(gòu)為鋼型材（Q235和Q345）的焊接結(jié)構(gòu)。根據(jù)DIN EN 12663《鐵道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定，開(kāi)閉機(jī)構(gòu)應(yīng)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)力之比應(yīng)不小于DIN EN 12663第3.4.2節(jié)中規(guī)定的安全系數(shù)S1 （規(guī)定中取S1 為1.15）。即：

4 計(jì)算結(jié)果

4.1位移結(jié)果

從四種工況的位移圖可知：工況4隧道交會(huì)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)變形最大，為1.942mm，發(fā)生在右部懸臂下端。

4.2 Mises應(yīng)力結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

四種工況的變形結(jié)果和應(yīng)力結(jié)果如下表2，3所示：

從以上的位移變形結(jié)果和效應(yīng)力分析可知：工況4隧道交會(huì)時(shí)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)主要部件的等效應(yīng)力最大，且整個(gè)模型在工況4隧道交會(huì)變形最大，綜合變形和應(yīng)力結(jié)果得到工況4條件最惡劣。所有模型在4種載荷工況下最大應(yīng)力均未超過(guò)安全系數(shù)。

5試驗(yàn)加載

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，本項(xiàng)目后期通過(guò)加載試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)基本吻合。

6結(jié)論

綜合上述分析可以得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件，在四種載荷工況下的安全系數(shù)均高于DIN EN 12663第3.4.2節(jié)中規(guī)定的安全系數(shù)S1 （規(guī)定中取S1 為1.15），滿足強(qiáng)度要求;

2）開(kāi)閉機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力值與數(shù)值計(jì)算值相差不大，且大部分實(shí)測(cè)值與計(jì)算值有較好的一致性，進(jìn)而說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性;

參考文獻(xiàn)：

[1] Qi Fan. Computerized Modeling and Simulation of Spiral Bevel and Hypoid Gears Manufacture by Gleason Face Hobbing Process[J].Journal of Mechanical Design，2006，128：235-241

[2] 蘇向震，何江達(dá)，陳方竹.有限元計(jì)算中模型選擇對(duì)結(jié)果的影響.紅水河.2007，（2）：61-65.

[3] 張艷_基于HyperMesh的25型客車(chē)建模

[4]?UIC566 Loadings of coach bodies and their components

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