動車組設備艙結構有限元分析及優化

程建峰 林建軍

動車組設備艙結構有限元分析及優化

程建峰 林建軍

采用有限元方法分析動車組設備艙結構在典型受載條件下的靜強度，揭示典型動車組設備艙結構的薄弱部位；對比裙板彎鉤過渡段加筋式與加厚式優化方案應力分布，提出提升裙板結構強度的更優設計形式；對比骨架結構腹板增厚前后應力分布特征，提出設備艙骨架結構改進方案；評定優化后設備艙結構靜強度結果，為動車組設備艙結構分析與設計提供參考。

動車組；設備艙；裙板；強度分布；有限元

動車組設備艙結構是安裝于車下部位用以減小列車運行時的空氣阻力、加強對車下懸掛裝置的保護的專用車體部件。由于動車組運行線路復雜多樣，車下環境惡劣多變，設備艙必須具有較好的結構特性才能滿足其高速運行時的強度要求，保證車下設備的正常功用。目前針對設備艙的研究工作主要著眼于其系統與組成部件的設計[1-4]，采用通用有限元分析軟件[5-6]，建立設備艙裙板及骨架數值仿真模型，開展相應的強度分析與結構優化工作。

1 設備艙結構特點及有限元建模

設備艙整體構造見圖1（a），主要由裙板、底板、骨架和端板4部分組成，整體為箱形全封閉結構，采用框架式骨架承載。依據其功用的不同，設備艙裙板又分為排風、進風、滑窗、全密封4類。排風裙板設有排風窗口（見圖1（b）），進風裙板設有濾網和迷宮結構，滑窗裙板主要用于水箱添水。裙板呈弧狀分布于設備艙兩側，底部經弧形掛鉤連接于骨架邊梁，上端通過螺栓固定于車體邊梁，以便于安裝和檢修，其幾何斷面見圖1（c）。其骨架（見圖1（d））包括骨架邊梁、中部骨架、骨架立柱、端部蓋板托架等部件，經其將各節艙體連接成連貫的整體。骨架邊梁分布于設備艙兩側，與裙板相連接，中部骨架橫向放置，分隔開車底設備。骨架立柱為工字形截面，頂端吊掛于車體底架邊梁。底板由鋁合金型材構成，分段以滑槽方式嵌套于中部骨架中。

設備艙為一節一節循環相扣的節式連接結構，且每節結構的幾何構型基本一致，因此選取跨度最大的單節設備艙進行有限元建模，選用SHELL181單元進行網格離散，該模型共有79 393個節點，90 732個單元，離散模型見圖2。

圖1 設備艙結構幾何模型

圖2 帶滑窗裙板的單節設備艙離散模型

設備艙所用材料為A6N01S鋁型材，密度2．53× 10-6kg/mm3，彈性模量68 GPa，泊松比0．3，屈服極限230 MPa。在建模過程中，對設備艙裙板和骨架立柱上螺栓安裝處的節點進行完全約束。

2 設備艙強度分析方法及結果

2.1 工況分析

基于EN 12663[7]鐵道車輛結構要求，對設備艙結構依表1所示載荷工況進行靜強度計算，考核結構的應力分布。按安全系數1．6考慮，其許用應力為143 MPa。

2.2 評價標準

根據EN 12663規范要求，在各工況對應的受載條件下，設備艙結構內部的Von Mises應力應滿足許用應力評定的要求。

2.3 仿真結果

對比各載荷工況可以發現，垂向動載荷為靜載荷的1．5倍，兩種氣動載荷形式相似，因而此部分研究僅選取II、III、IV三處典型工況進行加載，各工況等效應力極值及其出現的位置見表2。典型的代表性應力云圖見圖3（工況IV）。計算結果表明，設備艙在氣動載荷下呈現較大的應力，裙板上彎鉤與裙板主板轉角處及骨架上立柱與中部骨架轉角處存在較大應力，應對裙板和骨架開展相應的結構優化。

表1 載荷工況

表2 單節跨度最大設備艙等效應力結果

圖3 工況IV下的應力云圖

3 設備艙結構強度數值仿真優化

3.1 設備艙裙板結構優化

采用加筋與加厚形式改進裙板上彎鉤與裙板主板轉角處的局部結構，具體方案見圖4，其技術思路是通過增加結構剛度減小其局部應力。方案（a）即為在裙板掛鉤和主板連接處增加三角過渡，形成加筋結構；方案（b）即通過增加折彎處板厚，由原始3 mm增加至6 mm，基本結構不變。考慮到設備艙在氣動載荷下有較大應力，在氣動載荷工況下分別對3種類型裙板進行結構強度分析，得到相應的等效應力結果（見表3）。

圖4 裙板結構優化方案

計算結果對比表明優化后方案比優化前其應力明顯改善，兩種優化方式的應力結果差別不大，考慮到方案（a）的工藝較方案（b）復雜，因而采用方案（b）的改進方案，增加折彎處板厚，改善局部應力。優化前后的對比結果見圖5。

3.2 設備艙骨架結構優化

骨架最大應力出現在骨架立柱與中部骨架連接處，為減小骨架的最大應力，對立柱與中部骨架連接處進行優化，在骨架工字形截面的中間肋板兩側增加腹板，即增加中間腹板厚度。對比優化前后設備艙骨架在氣動載荷作用下的等效應力分布，所得結果見表4。可見，骨架優化后應力明顯減小，最大應力位置仍為骨架立柱與中部骨架連接處，增加的骨架腹板很好地改善了立柱與中部骨架的應力。

表3 裙板優化前后應力結果比較

4 設備艙結構靜強度評定

對優化后的設備艙整體結構進行垂向載荷、縱向沖擊載荷、空氣氣動載荷等5種工況下強度進行分析，所得應力結果見表5。可見，優化后的設備艙結構在垂直載荷工況、縱向沖擊工況、空氣氣動載荷工況下，其最大等效應力為67．05 MPa，小于相應材料的許用應力143 MPa，設備艙滿足標準規范的靜強度要求。

圖5 裙板應力云圖

表4 優化前后骨架應力結果比較

表5 優化后設備艙等效應力計算結果

5 結論

采用有限元方法，分析了靜載作用下動車組設備艙裙板、骨架優化前后的應力分布，并對優化后的設備艙整體結構進行強度校核，得到以下結論：（1）在垂直靜載荷、縱向沖擊、空氣氣動載荷工況下，通過對設備艙結構的有限元仿真分析發現裙板彎鉤過渡處及骨架立柱與中部骨架連接處為其薄弱部位。（2）針對裙板及骨架的薄弱部位，提出了對應的改進方案，分析得出裙板采用增厚式優化結構較好，骨架腹板增厚可有效降低其應力水平。（3）優化前后的設備艙滿足其靜強度要求，整體強度得到明顯提升，建議采用改進后設備艙結構形式。

[1] 王照杰． 200 km/h不銹鋼客車車下設備艙設計探討[J]．鐵道車輛，2011，49(8)：18-20．

[2] 耿興春，石守東，管全梅． 高速動車組設備艙系統設計分析[J]． 科技傳播，2013(89)：86-87．

[3] 吳作偉，丁莉芬． 動車組車體結構與車內設備[M]． 北京：北京交通大學出版社，2012．

[4] 相運成． 動車組設備艙結構研究[D]． 大連：大連交通大學，2012．

[5] 王鈺東，金磊，洪清泉． HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M]． 北京：機械工業出版社，2012．

[6] 胡國良，任繼文． Ansys11．0有限元分析入門與提高[M]．北京：國防工業出版社，2009．

[7] BS EN 12663 Railway applications——Structural requirements of railway vehicle bodies[S]． London，BSI，2000．

程建峰：南車青島四方機車車輛股份有限公司，高級工程?師，山東?青島，?266111

林建軍：中南大學交通運輸工程學院，碩士研究生，湖南 長沙，410075

責任編輯 楊環

U268.5

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1672-061X（2014）04-0011-04