高速列車(chē)設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度研究

王金田，蓋杰，余以正,孫健

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)

隨著高速列車(chē)運(yùn)行速度不斷提高，由此產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題也備受關(guān)注，氣動(dòng)載荷對(duì)列車(chē)車(chē)體和其附屬裝備的影響愈加突出.高速列車(chē)設(shè)備艙裙板作為降低空氣阻力、保護(hù)車(chē)下懸掛設(shè)備的關(guān)鍵裝置，其本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖擊變形性能對(duì)動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要[1].針對(duì)高速列車(chē)設(shè)備艙裙板的自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量工作.姜成等采用空氣炮沖擊試驗(yàn)方法，分析了各因素對(duì)裙板沖擊變形性能的影響[2].方靜賽等對(duì)高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架裙板進(jìn)行模態(tài)分析和氣動(dòng)疲勞特性研究[3].范樂(lè)天等對(duì)某型號(hào)高速列車(chē)設(shè)備艙玻璃鋼裙板的氣動(dòng)載荷進(jìn)行分析，并對(duì)裙板、安裝座以及螺栓進(jìn)行仿真分析評(píng)估[4].徐練等通過(guò)在武廣線(xiàn)對(duì)設(shè)備艙氣動(dòng)載荷的實(shí)車(chē)測(cè)試得到裙板最大氣動(dòng)載荷為1 644 Pa，最大氣動(dòng)載荷 出 現(xiàn) 在 明 線(xiàn) 會(huì) 車(chē) 工 況[5]， 但是范 樂(lè) 天 等 仍 采 用6 000 Pa載荷對(duì)設(shè)備艙裙板結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估[6].程建峰等采用仿真分析方法對(duì)某型號(hào)高速列車(chē)設(shè)備艙裙板在3 750 Pa氣動(dòng)載荷作用下的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析評(píng)估[7].目前設(shè)備艙裙板方案設(shè)計(jì)中需采用的氣動(dòng)壓力加載條件還沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).

設(shè)備艙裙板作為高速列車(chē)的附屬裝備，列車(chē)出廠(chǎng)服役前必須要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，其中包括靜壓力試驗(yàn)和氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)測(cè)試(本文將此兩項(xiàng)試驗(yàn)統(tǒng)稱(chēng)為氣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)).氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)是動(dòng)載荷試驗(yàn)，交變載荷施加頻率和均布載荷施加方式是該試驗(yàn)的難點(diǎn).國(guó)內(nèi)通用的交變氣壓載荷裝置都是用風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，例如王前選等利用羅茨鼓風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速列車(chē)車(chē)體施加交變載荷[8].秦建忠等采用活塞式交變氣壓載荷裝置完成標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車(chē)組車(chē)窗(門(mén))氣壓疲勞試驗(yàn)[9].

高速列車(chē)設(shè)備艙裙板是“不封閉”的內(nèi)外連通設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有利用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和活塞式交變氣壓裝置完成設(shè)備艙裙板的氣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試.依據(jù)高速列車(chē)設(shè)備艙裙板氣動(dòng)性能技術(shù)條件和試驗(yàn)周期要求，本文研究設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)方法并實(shí)施試驗(yàn)測(cè)試，同時(shí)通過(guò)接觸非線(xiàn)性仿真計(jì)算對(duì)裙板氣動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行分析和試驗(yàn)工裝改進(jìn).

1 設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度技術(shù)要求

某型高速列車(chē)設(shè)備艙裙板尺寸約為1.7 m×0.8 m，材料為6005A-T6鋁合金，型材厚度為2 mm左右.裙板上部通過(guò)安裝座連接到車(chē)體，裙板下部通過(guò)鎖銷(xiāo)與設(shè)備艙底板相連.裙板內(nèi)部有兩塊格柵(尺度約為0.6 m×0.4 m)，格柵為內(nèi)外連通結(jié)構(gòu)，有設(shè)備艙內(nèi)外通風(fēng)散熱作用.格柵安裝框通過(guò)螺栓固定在裙板型材上.圖1是設(shè)備艙裙板結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(a)中虛線(xiàn)框?yàn)楦駯虐惭b位置，外法向指向車(chē)外環(huán)境.按照時(shí)速350公里速度級(jí)的高速列車(chē)設(shè)備艙裙板技術(shù)條件，設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：①設(shè)備艙裙板可承受±6 kPa靜壓力載荷(正壓方向?yàn)閺能?chē)外環(huán)境指向設(shè)備艙內(nèi)，負(fù)壓方向相反)，裙板結(jié)構(gòu)無(wú)永久變形和損壞； ②設(shè) 備 艙 裙板可承受200萬(wàn)次周期循環(huán)的±2.5 kPa氣動(dòng)疲勞載荷，裙板無(wú)損壞.為滿(mǎn)足項(xiàng)目執(zhí)行周期要求，設(shè)備艙裙板的200萬(wàn)次氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)需在一個(gè)月周期內(nèi)完成，也就是試驗(yàn)裝置交變載荷頻率應(yīng)不小于1 Hz.

(a)設(shè)備艙裙板外側(cè)

2 設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)方法

按照設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)的技術(shù)要求，該試驗(yàn)的短周期要求是試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的主要制約.施加氣動(dòng)載荷的理想方法是采用氣壓加載，本試驗(yàn)先對(duì)氣壓加載法進(jìn)行考量.高速列車(chē)車(chē)體氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)是采用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)完成，例如采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)作為壓力源，氣動(dòng)蝶閥配合單向閥作為正負(fù)壓切換控制元件，實(shí)現(xiàn)交變氣動(dòng)載荷[8].但受制于閥門(mén)的切換速度，該試驗(yàn)裝置壓力交變頻率低，對(duì)于裙板這類(lèi)“不封閉”結(jié)構(gòu)的200萬(wàn)次交變載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)而不能滿(mǎn)足項(xiàng)目要求.動(dòng)車(chē)組車(chē)窗(門(mén))氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)采用活塞式交變氣壓載荷裝置[9]，該試驗(yàn)裝置利用液壓系統(tǒng)使作動(dòng)器往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)壓縮、抽拉密封腔內(nèi)的空氣，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)件施加動(dòng)態(tài)氣動(dòng)載荷.該試驗(yàn)裝置可以滿(mǎn)足車(chē)窗在1.5 Hz下±4.5 kPa與±6 kPa的試驗(yàn)要求.活塞式交變氣壓載荷裝置對(duì)試驗(yàn)件要求是封閉結(jié)構(gòu)，在密封腔內(nèi)通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)形成正負(fù)表面壓力，因此該試驗(yàn)裝置對(duì)于“不封閉”裙板的氣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)不適用.

對(duì)于設(shè)備艙裙板這類(lèi)“不封閉”結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)采用氣壓加載法不能滿(mǎn)足項(xiàng)目要求，因此本文最終采用集中力施加方法.試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)裝置，氣缸作動(dòng)器通過(guò)分配工裝對(duì)設(shè)備艙裙板施力.該裝置的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)操作安全方便，負(fù)載大，加載動(dòng)作迅速，反應(yīng)快，加載頻率滿(mǎn)足項(xiàng)目要求.該裝置的缺點(diǎn)是不能與實(shí)際氣動(dòng)壓力環(huán)境相同進(jìn)行壓力均布加載，只能采用多個(gè)集中載荷代替均布載荷形成“等效載荷”.局部集中加載方式由于施壓面積小，從而對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求更高，因此該方法可以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但是不能用于測(cè)量試件在實(shí)際氣動(dòng)載荷工況中的變形值.

為形成盡量多的集中載荷“等效”模擬氣動(dòng)壓力的均布載荷，本文試驗(yàn)的分配工裝采用最大限度施壓面積，因此分配工裝的設(shè)計(jì)方案是制作與裙板與格柵試件隨型的一體化玻璃鋼工裝.玻璃鋼工裝的制作要求是最大限度覆蓋裙板和格柵表面，并且玻璃鋼工裝應(yīng)最大限度與裙板和格柵表面貼合.玻璃鋼工裝模具是通過(guò)設(shè)備艙裙板倒模制作.圖2為玻璃鋼工裝成品圖.與設(shè)備艙裙板外側(cè)貼合的玻璃鋼工裝重500 N，與設(shè)備艙裙板內(nèi)側(cè)貼合的玻璃鋼工裝重550 N.

圖2 玻璃鋼工裝示意圖

圖3是氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)加載裝置圖.加載氣缸、試驗(yàn)工裝和設(shè)備艙裙板都固定在鋼架上.氣缸加載位置對(duì)應(yīng)工裝中心，鋼架中心線(xiàn)、裙板中心線(xiàn)和工裝中心線(xiàn)都在同一平面上.裙板上邊安裝座連接孔和裙板下邊鎖銷(xiāo)連接處完全固定在鋼架上.采用上下兩組氣缸加載裝置連接玻璃鋼工裝，分別對(duì)裙板外側(cè)表面和內(nèi)側(cè)表面加載，通過(guò)調(diào)整上下加載時(shí)差進(jìn)而對(duì)裙板試件施加交變載荷.靜壓力試驗(yàn)裝置與氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)裝置類(lèi)似，只需采用單側(cè)工裝對(duì)裙板施加載荷，所以本文對(duì)靜壓力試驗(yàn)裝置不做過(guò)多說(shuō)明.氣缸加載裝置加力值F的計(jì)算公式為

F=P·S±M·g

(1)

式中:P為模擬的表面壓力，Pa；S為受壓表面積(玻璃鋼工裝與裙板試件的接觸面積)，m2；M為玻璃鋼工裝質(zhì)量，kg.g為重力加速度(9.81 m/s2).如果氣缸加載方向與重力方向相同則式(1)取負(fù)號(hào)，反之式(1)取正號(hào).

圖3 氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)加載裝置圖

3 設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度仿真分析

3.1 設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)備艙裙板的±6 kPa靜壓力試驗(yàn)所使用的受壓面積和氣缸加載力可見(jiàn)表1.靜壓力試驗(yàn)中使用三向應(yīng)變片測(cè)量3處位置的 應(yīng) 力 值， 圖4為-6 kPa靜壓力試驗(yàn)使用的裙板外側(cè)3處測(cè)點(diǎn)的位置示意圖，測(cè)點(diǎn)1、2、3的應(yīng)變片中心位置距裙板底邊的距離分別是370、245和670 mm.+6 kPa靜壓力試驗(yàn)采用應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)在 裙 板 內(nèi) 側(cè) 對(duì) 應(yīng) 位置.表1也列出3處測(cè)點(diǎn)的vonMises應(yīng)力值測(cè)試結(jié)果，從表中可以看到測(cè)試值都小于材料屈服強(qiáng)度215 MPa，并且裙板結(jié)構(gòu)無(wú)永久變形和損壞.

表1 設(shè)備艙裙板±6 kPa靜壓力試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果

設(shè)備艙裙板的±2.5 kPa氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)上下氣缸加載力分別為1 160和1 847.5 N.該試驗(yàn)裝備的交變載荷頻率為1 Hz，完成200萬(wàn)次周期循環(huán)加載時(shí)長(zhǎng)約為23天.試驗(yàn)完成后采用滲透方法對(duì)裙板進(jìn)行探傷，測(cè)試結(jié)果表明裙板無(wú)損傷.

綜上所述，設(shè)備艙裙板靜壓力試驗(yàn)和氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果都滿(mǎn)足其技術(shù)要求.

3.2 設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度仿真分析與試驗(yàn)工裝改進(jìn)

采用仿真分析方法對(duì)設(shè)備艙裙板的+6 kPa靜壓力試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真分析.采用Hypermesh軟件進(jìn)行計(jì)算模型前處理，玻璃鋼工裝采用實(shí)體單元建模，重量為500 N，彈性模量為17 GPa，泊松比為0.18.裙板采用實(shí)體單元和殼單元建模.有限元模型共劃分網(wǎng)格數(shù)目約139萬(wàn)，網(wǎng)格尺度約為10 mm.根據(jù)計(jì)算模型的接觸面積，采用式(1)計(jì)算得到玻璃鋼上共施加3 483 N的力，設(shè)備艙裙板約束方式與試驗(yàn)一致(見(jiàn)圖5(a)).玻璃鋼工裝與裙板間設(shè)置點(diǎn)面接觸，裙板上設(shè)置的名義接觸點(diǎn)數(shù)是6 998個(gè).通過(guò)Permas軟件進(jìn)行接觸非線(xiàn)性分析，得到裙板受到的接觸壓力分布(見(jiàn)圖5(b)).受玻璃鋼作用裙板擠壓變形，但不是所有設(shè)置接觸的表面都會(huì)受到玻璃鋼工裝的施壓.圖5(b)是模擬+6 kPa靜壓力試驗(yàn)得到的接觸壓力分布圖，有色區(qū)域是接觸壓力不小于6 kPa部分，可將此區(qū)域視為實(shí)際接觸面積(該范圍的接觸壓力值滿(mǎn)足施壓目標(biāo))，相應(yīng)的實(shí)際接觸點(diǎn)數(shù)共計(jì)1 760個(gè)，實(shí)際接觸率是25%(實(shí)際接觸率是實(shí)際接觸面積與名義接觸面積之比). 從 圖 中 可以看到實(shí)際接觸范圍主要集中在裙板中間部分，其他實(shí)際接觸范圍在約束附近并且集中在寬度約為20 mm的條帶內(nèi).

(a)有限元模型示意圖

為縮短工裝制作和試驗(yàn)周期、節(jié)約試驗(yàn)工裝成本，通過(guò)對(duì)設(shè)備艙裙板+6 kPa靜壓力下的接觸壓力分布范圍研究，只保留產(chǎn)生實(shí)際接觸壓力的部分工裝，并對(duì)該工裝加載進(jìn)行仿真計(jì)算，探查產(chǎn)生接觸壓力的效果.試驗(yàn)工裝的改進(jìn)方案是將一體式玻璃鋼工裝改為分離的3塊(見(jiàn)圖6(a))，3塊工裝總重量約為115 N，較一體式工裝減重77%.每塊工裝與裙板的名義接觸面積約為0.1 m2，利用式(1)計(jì)算得到氣缸加載力應(yīng)為1 685 N，較一體式工裝加載力減小52%.

(a)改進(jìn)工裝示意圖

針對(duì)設(shè)備艙裙板+6 kPa靜壓力試驗(yàn)，采用仿真分析方法模擬改進(jìn)工裝加載方案，計(jì)算共設(shè)置名義接觸點(diǎn)數(shù)3 286個(gè).圖6(b)是采用改進(jìn)工裝加載的接觸壓力 分 布 圖， 其 中 接 觸 壓 力 不 小 于

6 kPa的實(shí)際接觸點(diǎn)數(shù)有1 605個(gè)，實(shí)際接觸率是49%，而采用一體式工裝得到的實(shí)際接觸率是25%，具體數(shù)值可見(jiàn)表2.值得補(bǔ)充的一點(diǎn)是，對(duì)應(yīng)改進(jìn)工裝的名義接觸范圍，一體式工裝在該范圍內(nèi)的實(shí)際接觸點(diǎn)數(shù)1 604個(gè)， 改 進(jìn)工裝的實(shí)際接觸點(diǎn)數(shù)1 605個(gè)，說(shuō)明若基于與改進(jìn)工裝相同的名義接觸范圍，采用改進(jìn)工裝的實(shí)際接觸率與一體式工裝實(shí)際接觸率基本相同.

表2 模擬+6 kPa靜壓力試驗(yàn)的接觸點(diǎn)數(shù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

針對(duì)+6 kPa靜壓力試驗(yàn)采用改進(jìn)工裝能得到更高的實(shí)際接觸率.對(duì)于-6 kPa靜壓力試驗(yàn)也可以通過(guò)實(shí)際接觸面積范圍來(lái)進(jìn)行工裝改進(jìn).采用改進(jìn)工裝的氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)，通過(guò)減小氣缸加載力來(lái)加快交變頻率，有利于縮短試驗(yàn)周期，適用于緊急試驗(yàn)測(cè)試.如果不考慮試驗(yàn)周期問(wèn)題，建議采用風(fēng)機(jī)加壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備艙裙板的氣動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估.

3.3 帶格柵設(shè)備艙裙板的氣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)與仿真分析

為同時(shí)驗(yàn)證裙板和格柵結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)強(qiáng)度，玻璃鋼工裝采用的是裙板和格柵全部隨型一體式設(shè)計(jì)，試驗(yàn)裝置同圖3，只是試件為帶格柵的設(shè)備艙裙板.在6 kPa靜壓力載荷試驗(yàn)中，裙板結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生永久變形，但是格柵安裝框的外邊角發(fā)生肉眼幾乎觀察不到的永久變形，此處變形是試驗(yàn)后在工裝同試件匹配過(guò)程中，因工裝與裙板無(wú)法貼合時(shí)被發(fā)現(xiàn)的.

針對(duì)帶格柵的設(shè)備艙裙板結(jié)構(gòu)，本文對(duì)實(shí)際環(huán)境±6 kPa壓力均布加載情形進(jìn)行仿真分析.同樣采用Hypermesh和Permas軟件分別進(jìn)行前后處理和求解，具體模擬方法可見(jiàn)3.2節(jié).通過(guò)仿真計(jì)算得到裙板和格柵的vonMises應(yīng)力都遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)最小值為10.38，見(jiàn)表3.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足技術(shù)要求.圖7是帶格柵的設(shè)備艙裙板在+6 kPa壓力載荷下vonMises應(yīng)力分布圖.由此分析格柵安裝框發(fā)生變形的最可能原因是玻璃鋼

表3 帶格柵的設(shè)備艙裙板在±6 kPa氣動(dòng)壓力載荷下的計(jì)算結(jié)果

(a)設(shè)備艙裙板外側(cè)

工裝某處和格柵貼合的公差問(wèn)題，導(dǎo)致格柵結(jié)構(gòu)受力過(guò)大.一體式工裝可用于設(shè)備艙裙板氣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)，但是對(duì)于帶格柵的設(shè)備艙裙板，由于格柵結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜(面彎曲和多尖角)，一體隨型玻璃鋼作為試驗(yàn)工裝其制作工藝還有待提升.

4 結(jié)論

(1)對(duì)于設(shè)備艙裙板采用一體隨型玻璃鋼工裝進(jìn)行加載，靜壓力試驗(yàn)和氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足技術(shù)要求，并且±2.5 kPa氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)交變頻率為1 Hz，滿(mǎn)足項(xiàng)目周期要求；

(2)采用一體隨型玻璃鋼工裝對(duì)設(shè)備艙裙板進(jìn)行加載，通過(guò)接觸非線(xiàn)性仿真分析得到實(shí)際接觸范圍主要集中在裙板中間部分，其他實(shí)際接觸范圍在約束附近并且集中在寬度約為20 mm的條帶內(nèi)，實(shí)際接觸率為25%.將一體式工裝改進(jìn)為3塊分離玻璃鋼工裝，通過(guò)模擬+6 kPa靜壓力試驗(yàn)的仿真計(jì)算得到改進(jìn)工裝的實(shí)際接觸率為49%，并且與一體式工裝相比，主要集中接觸范圍內(nèi)的實(shí)際接觸面積基本相同.因此試驗(yàn)加載可采用分離式工裝，節(jié)約工作制作成本并且縮短試驗(yàn)周期；

(3)對(duì)于帶格柵設(shè)備艙裙板的靜壓力試驗(yàn)，若采用格柵和裙板一體隨型工裝進(jìn)行加載，由于玻璃鋼工裝在格柵這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)處的制作公差會(huì)導(dǎo)致格柵安裝框處發(fā)生微小變形.一體隨型工裝的制作工藝有待提升.