動車水箱安裝座的強度計算和結構改進

陳雪+楊磊

摘要： 為使動車上的水箱安裝座具備足夠的強度，以保證連接的可靠性，利用三維實體建模并用HyperWorks對水箱安裝座進行有限元計算；依據EN 12663：2010標準對水箱安裝座進行強度校核并針對不滿足強度要求的部分進行結構改進.結果表明：改進后的模型設計能夠滿足EN 12663：2010的標準；CAE軟件的應用為水箱安裝座的結構設計提供參考.

關鍵詞： 動車； 水箱安裝座； 靜強度； 強度校核； 有限元

中圖分類號： U260.2；TB115.1文獻標志碼： B

引言

不銹鋼水箱是鐵路運輸中必備的專業儲水設備.為保證水箱與動車車體連接安全，其安裝必須滿足動車在復雜載荷作用下的強度要求.隨著仿真技術在工程領域的不斷發展，CAE的應用已成為產品設計階段必不可少的技術手段.[12]本文以水箱安裝座為例，利用有限元法和HyperWorks對其進行靜強度計算并反饋指導設計，為校驗設計的可行性及其方案的改進提供參考依據.

1有限元模型建立

1.1水箱安裝座初始設計

不銹鋼水箱為700 mm×400 mm×380 mm的箱形件，水箱滿水時的總質量為186 kg.依據經驗進行安裝座的初始設計，其中箱體兩側的安裝支座分別與動車車體的端墻和車頂固定.水箱和安裝座的外觀見圖1.

圖 1水箱和安裝座的外觀

Fig.1Appearance of water tank and its installation brackets

1.2坐標系確定

坐標系選取動車前進方向為x軸正方向（縱向），豎直向上為z軸正方向（垂向），y軸（與車輛橫軸一致）以右手法則確定，見圖2.

圖 2坐標系

Fig.2Coordinate system

1.3材料設置和網格劃分

水箱箱體為不銹鋼板材，因為長度和寬度值遠大于厚度，所以可采用殼單元進行模擬.[3]以厚度為2 mm的殼單元模擬箱體，水箱無水時的總質量為22 kg，水箱的材料為不銹鋼SST316，其密度為7.85×103 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3.支座采用板材Al5A05，密度為2.7×103 kg/m3，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.3.[46]支座與箱體的連接焊縫通過Rigid剛性單元模擬，支座間采用螺栓進行連接.利用HyperMesh對模型進行網格劃分，為保證網格質量，殼單元以邊長為10 mm的四邊形為主、三角形為輔，共計17 605個單元，17 534個節點，有限元模型見圖3.圖 3有限元模型

Fig.3Finite element model

1.4載荷和邊界條件

為校驗設計的可行性，載荷需按照動車實際運行工況進行加載.在水箱滿水時，因水的重力作用，水箱底部受到沿z軸負方向的壓力，而水箱壁所受的水壓呈三角線性分布，兩者均可通過設置Pressure的參數對水壓進行載荷模擬.同時，根據EN 12663：2010標準[7]以加速度形式對整個模型施加慣性載荷，6種工況見表1.結合水箱安裝座的實際約束情況，在安裝座與車體連接的8個螺栓處施加全約束.

表 1加載工況

Tab.1Loading conditions工況垂向加速度az橫向加速度ay縱向加速度ax1-g3g2-g-3g3-gg4-g-g5-3g6g注：g為重力加速度，取值為9.81 m/s2

2有限元計算及結果分析

利用Radioss求解器對已完成前處理的模型進行求解，得到安裝座的靜強度統計結果，見表2.

表 2靜強度統計結果

Tab.2Statistical results of static strength工況最大應力值/MPa屈服強度/MPa安全因數1113.601451.28268.801452.11364.461452.25462.711452.315136.901451.06645.631453.18

由表2可知：工況5（az=-3g）為最惡劣工況，且最大應力值為136.90 MPa，雖未超出材料的屈服強度，但安全因數為1.06，小于1.15，不滿足EN 12663：2010標準，因此不符合強度要求，需要對該設計進行優化改進.該工況下最大應力的位置見圖4，出現在下方支座螺栓孔附近.

圖 4工況5應力云圖，MPa

Fig.4Stress contour under working condition 5，MPa

由最大應力區域的云圖可以看出，靠近螺栓孔的外側應力明顯大于內側應力，說明支座依靠外側肋板傳力較大，因此可以通過削弱外側肋板的受力，將受力途徑向螺栓孔的內側轉移，從而達到降低螺栓孔外側應力的目的.根據以上分析，可采取縮減下方支座肋板面積的方法對原設計進行改進，改進后的設計模型見圖5.

圖 5改進前后模型

Fig.5Models before and after improvement

3改進后模型重新校核

改進后的模型計算統計結果見表3，可知：經改進后的模型在工況5的最大應力由136.9 MPa降為124.8 MPa，安全因數為1.16>1.15，應力云圖見圖6；較大應力仍存在于工況1和工況5中，但6種工況均未達到屈服極限，且安全因數都能滿足EN 12663：2010標準，符合強度條件，驗證改進方案的可行性.

表 3改進后模型的靜強度統計結果

Tab.3Statistical results of static strength of improved model工況最大應力值/MPa屈服強度/MPa安全因數1125.501451.16274.831451.94360.461452.40458.631452.475124.801451.16641.591453.49

圖 6改進后模型的應力云圖，MPa

Fig.6Stress contour of improved model，MPa

計算發現，優化改進后的模型不僅解決原支座的強度缺陷，使其強度滿足設計要求，而且支座的質量由3.14 kg降為2.93 kg，節省原材料，降低成本.

4結束語

有限元計算顯示，改進后的設計不僅能夠滿足動車運行中水箱安裝座在不同工況下的靜強度要求，而且節省原材料的使用，降低成本.可見，CAE軟件的應用可在產品設計階段為確定最優設計方案提供理論依據和數據支持.參考文獻：

[1]杜宏云， 施紅星. 計算機輔助工程（CAE）在汽車開發中的應用與展望[J]. 交通標準化， 2004（4）： 39 40.

DU Hongyun， SHI Hongxing. Apply and forecast Computer Aided Engineering （CAE） in development of vehicle[J]. Commun Standardization， 2004（4）： 39 40.

[2]側衛， 微涼， 曉立. 國防CAE軟件應用調查報告[J]. 航空制造技術， 2008（21）： 14.

Cewei， Weiliang， Xiaoli. Survey report of CAE software application in national defense[J]. Aeronautical Manufacturing Technol， 2008（21）： 14.

[3]李邦國， 王群偉， 孫棟棟， 等. 制動控制箱結構特性分析[J]. 鐵道機車車輛， 2011， 31（5）： 105107.

LI Bangguo， WANG Qunwei， SUN Dongdong， et al. Structure characteristics analysis of brake control box[J]. Railway Locomotive & Car， 2011， 31（5）： 105107.[4]GB/T 2880.1—2006一般工業用鋁及鋁合金板、帶材[S].

[5]王鈺棟， 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： 5066.

[6]張勝蘭， 鄭冬黎， 郝琪， 等. 基于HyperWorks的結構優化設計技術[M]. 北京： 機械工業出版社， 2007： 7990.

[7]EN 12663：2010Structural requirements of railway vehicle bodies[S].

（編輯 武曉英）

圖 6改進后模型的應力云圖，MPa

Fig.6Stress contour of improved model，MPa

計算發現，優化改進后的模型不僅解決原支座的強度缺陷，使其強度滿足設計要求，而且支座的質量由3.14 kg降為2.93 kg，節省原材料，降低成本.

4結束語

有限元計算顯示，改進后的設計不僅能夠滿足動車運行中水箱安裝座在不同工況下的靜強度要求，而且節省原材料的使用，降低成本.可見，CAE軟件的應用可在產品設計階段為確定最優設計方案提供理論依據和數據支持.參考文獻：

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（編輯 武曉英）

圖 6改進后模型的應力云圖，MPa

Fig.6Stress contour of improved model，MPa

計算發現，優化改進后的模型不僅解決原支座的強度缺陷，使其強度滿足設計要求，而且支座的質量由3.14 kg降為2.93 kg，節省原材料，降低成本.

4結束語

有限元計算顯示，改進后的設計不僅能夠滿足動車運行中水箱安裝座在不同工況下的靜強度要求，而且節省原材料的使用，降低成本.可見，CAE軟件的應用可在產品設計階段為確定最優設計方案提供理論依據和數據支持.參考文獻：

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[7]EN 12663：2010Structural requirements of railway vehicle bodies[S].

（編輯 武曉英）