動車組車下設備安裝強度仿真與驗證

李毅磊， 范樂天， 管全梅， 安曉玉， 付一娜

(唐山軌道客車有限責任公司 轉向架分廠， 河北唐山 063035)

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動車組車下設備安裝強度仿真與驗證

李毅磊， 范樂天， 管全梅， 安曉玉， 付一娜

(唐山軌道客車有限責任公司 轉向架分廠， 河北唐山 063035)

以某型動車組車下設備安裝框架結構為例，基于ANSYS 軟件進行了有限元模型的創建，并依據標準EN 12663[1]確定了其載荷工況，完成了對框架及安裝座的強度仿真和試驗驗證，其結果對動車組車下設備安裝結構的設計具有指導意義

動車組； 安裝框架； 強度

隨著動車組運營速度的不斷提升，氣動載荷對列車車體以及其附屬裝備的影響愈加明顯。車下設備及其安裝結構設計是否安全、可靠，對列車的安全服役具有重要意義。徐煉[2]等曾以CRH3型動車組為例，提出了高速列車車下懸掛結構優化設計方法，以某型動車組制動設備箱為例，對其安裝框架結構進行了基于ANSYS的強度仿真分析和試驗驗證，對其安全可靠性進行了校核。

1 制動設備箱模塊結構

動車組為了降低車輛重心，增加有效乘坐空間，重型設備一般都采取懸吊方式安裝在車輛下部并設置設備艙對其進行防護。以某型動車組為例：車下設備包括廢排單元、輔助變流器、制動設備艙箱、電池充電機，蓄電池箱、緊急車鉤和集便器等設備，如圖1所示。

圖1 車下設備排布

以典型的制動設備箱做為研究對象。制動設備箱模塊組成結構如圖2所示。整體框架為碳鋼材質焊接構件，符合空氣動力學外形的裙板和底板通過螺栓固定在框架上，框架上部焊接有4個用碳鋼板折彎形成的支座，通過插接的方式與帶有橡膠減振元件的V型座固定，再整體與動車組車體鋁合金底架邊梁剛性連接。這樣的結構設計使得高速運行的動車組，尤其是在明線交匯、進出隧道甚至是隧道交匯的工況下，設備艙所承受的氣動載荷將通過裙板底板傳遞給車下設備模塊承受而不再直接傳導給車體，從而大大減少了氣動載荷對列車的影響，從而實現車輛動力學指標(例如平穩性、脫軌系數、輪重減載率、輪軌沖角等)的滿足[3]。

1.1 有限元模型建立

仿真分析旨在捕捉細節結構的應力集中情形，從靜力學角度評估細節結構的抗疲勞能力。要求有限元模型須包含細節結構，對模型進行精細分析，首先要對其進行精細建模，模型精細與否，對分析結果起著至關重要的作用。本文以整個模塊為計算對象，采用大型通用有限元分析及處理軟件HYPERMESH及ANSYS建立有限元模型。結構模型主要采用殼單元Shell181建立，用梁單元模擬建立連接關系，但允許繞鎖軸線的轉動自由度。

制動設備箱結構單元主要采用4節點等參薄殼單元模擬主體結構，用質量元來模擬附加結構的質量及分布位置，同時通過RIGID單元或RBE3單元與相鄰的有限元結構連接。在V型座等處較厚的結構也相應的采用了六面體實體單元模擬。殼單元的尺寸(長度)在大多數的結構部件中的典型長度約為10 mm, 而在更多的細化區域則要小一些，如裙板、底板殼單元的尺寸取10 mm，裙板支架殼單元的尺寸取5 mm，有的地方的單元長度約為3 mm，如框架與安裝座連接部位，如圖3所示。整個計算模型節點總數408 677，單元總數544 683。

圖2 制動設備箱模塊結構示意圖(含及不含設備艙)

采用有限元法進行計算時，必須在計算模型的某些節點上設置一定的約束條件，使方程組可解。有限元分析不但要適當進行結構抽象，也要認真考慮邊界條件，即所關心結構的連接關系。本次研究對象為設備艙及裙板支架，模型中考慮了上述研究對象的連接關系，選取一段車體邊梁作為支撐約束，在邊梁上表面施加垂向約束，在兩端施加橫向、縱向和轉動約束。如圖3所示。

圖3 制動設備箱模塊網格劃分和約束圖

1.2 載荷工況和材料屬性

考慮到制動設備箱模塊在列車高速運行過程中可能受到的載荷情形并結合標準EN 12663-1-2010《鐵路設施-鐵路車輛車身的結構要求》[1]和TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》[4]，給出了靜強度和疲勞載荷工況見表1。圖4為CRH3型動車組在武廣線路運行時列車隧道交匯時段的設備艙內外的氣動壓力數據圖，試驗結果為后續的仿真計算提供邊界條件。試驗數據最終得出列車在速度350 km/h時，設備艙最大內外壓差1 721 Pa[2]，因此為保守計算采用3 000 Pa為加載氣動載荷。

圖4 設備艙空氣動載荷示意圖

疲勞強度載荷工況工況X向Y向Z向10．4g20．3g30．3g靜強度載荷工況工況X向Y向Z向氣動載荷43g1g3g53g1g-1g6±3000Pa

制動設備箱模塊總重3 565 kg，均分到4個V形安裝座上，V形安裝座自身重量10.9 kg，平均每個底座載重891.3 kg。

整個制動設備箱模塊模型涉及3種材質，分別是碳鋼、不銹鋼和鋁合金，密度分別是7 850，7 860，2 770 kg/m3；彈性模量分別是210，183，711 GPa；泊松比分別是0.3，0.3，0.33。其中框架選用的碳鋼和不銹鋼力學性能見表2。

表2 框架材料的力學性能

2 強度和模態計算結果分析

2.1 強度仿真計算

按表1中的6種載荷工況對制動設備箱模塊框架進行計算[5]，并對表中每個工況分別給出整體應力云圖(Von Mises應力)和局部應力云圖(通常為較大應力點處Von Mises應力云圖及一些重要的應力部位)。由于制動設備箱模塊裙板長度1 915.5 mm，裙板的外表面面積為3.790 m2，考慮3 kPa氣動載荷，則作用于氣動力為20 715 N，對于制動設備箱模塊，氣動載荷的影響占絕對主導地位。因此僅需重點考慮第1，2，3工況疲勞強度仿真分析和第6工況氣動載荷的影響的靜強度仿真分析。

圖5 第1工況最大局部應力云圖

圖6 第2工況最大局部應力云圖

圖7 第3工況最大局部應力云圖

圖8 第6工況整體應力和最大局部應力云圖

2.2 模態分析

為了解該模塊的固有頻率和振型，對該模塊進行模態分析，提取結構整體模態前五階振型，其振動頻率見表3，結構振型見圖9。

2.3 結果分析

由上述應力計算結果結論如下：

(1)所有測點的合成應力均小于其所用材質相對應的許用應力。

(2)靜強度第6工況下，制動設備箱模塊框架整體應力水平在200 MPa以下，排除失真的螺栓連接處的最大應力為342 MPa，發生在框架與V形座連接處；

(3)疲勞載荷第1，2，3工況下，制動設備箱模塊局部最大應力分別是26，22，36 MPa，分別發生在框架于V形座連接處和框架下部端角處；

表3 制動設備箱模塊的固有頻率和振型 Hz

圖9 制動設備箱模塊第一階振型圖(垂向擺動)

(4)根據EN 12663-1-2010和TB/T 1335-1996標準的相關規定，各工況靜強度和疲勞強度主體結構均滿足材料的屈服強度和疲勞極限要求。

2.4 關鍵測點仿真數據采集

依據該型動車組項目靜強度試驗大綱[6]的要求，需對部分零部件結構進行靜強度試驗，其中車下懸吊結構部件是試驗的主要部分。為驗證試驗數據和仿真數據的同步性，按照大綱的關鍵測試點，在工況6下對其有限元計算數據進行匯總。關鍵測點的布置如圖10所示(僅考慮框架的應力分布情況圖11所示)：

圖10 關鍵測點布置圖

圖11 第6工況框架整體應力云圖

按照圖10的測點在工況6下在計算模型上進行應力數據的采集測量，合成應力數值見表4。

表4 制動設備箱模塊安裝框架數據匯總表 MPa

計算結果表明：所有測點的合成應力均小于其所用材質相對應的許用應力。

3 靜強度試驗

3.1 試驗加載和測點布置

依據該型動車組項目靜強度試驗大綱，對部分零部件結構進行靜強度試驗，試驗中將制動設備箱模塊的框架按照動車組上的安裝方式固定于模擬使用狀態的工裝上(見圖12)，使用加載裝置按表1中的工況6分別進行X、Y、Z方向加載，同時記錄各測點的應力值，測點布置圖按照大綱要求如圖10所示。

圖12 空壓機框架加載示意圖

3.2 試驗結果

各基本載荷作用下的應力值及合成應力值見表5[7]。

表5 制動設備箱模塊模塊框架數據匯總表 MPa

從試驗結果看最大合成應力發生在測點201，其合成應力值為129.6 MPa；試驗結果的應力數據均小于其所用材質相對應的許用應力。同時對比表4和5的大部分仿真數值和試驗數值相差不到15%，而框架的整體應力安全系數大于1.15%，證明有限元建模加載計算的手段同步性很高，從定性和定量上均可以較真實的反應結構的受力特點，對結構的優化設計提供有效支撐；

另外，103和403兩個測點的仿真數值與試驗測試結果相差超過50%左右，此兩點受氣動載荷影響比較直接，證明結構對空氣動力學的工況反饋不是十分穩定，存在一定的失真。后續仍需重點關注列車高速運行時空氣壓力對車下設備艙和車下設備的影響。

圖13 測點403失真處應力云圖

4 結束語

基于ANSYS 有限元分析軟件，通過對某型動車組

車下制動設備箱模塊進行靜強度和疲勞強度分析校核和靜試驗驗證，基本掌握了制動設備箱框架結構整體的應力水平及其安全系數，對其框架結構后續的改進優化具有一定的指導意義。而對于車下安裝設備而言，由于動車組高速運行過程中，設備承受振動、沖擊、氣動壓力等交變載荷，其工況更加復雜惡劣。因此，整個結構的疲勞可靠性更是至關重要，將是后續研究的重要方向。

[1] EN 12663-1-2010鐵道應用-軌道車身的結構要求[S].2010.

[2] 徐 練,馬紀軍,范樂天,等. 高速列車車下懸掛結構優化設計方法[J]. 大連交通大學學報,2012，33(5)：11-13，37.

[3] 范樂天,管全梅,高 軍,等. 高速列車車下設備艙模塊化彈性吊裝設計研究[J]. 大連交通大學學報,2012，33(6)：23-26.

[4] TB/T 1335-1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].1996.

[5] 李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社,2005.

[6] 唐山軌道客車有限責任公司.CRH3項目靜強度試驗大綱[Z].2005.

[7] 唐山軌道客車有限責任公司.CRH3項目靜強度試驗報告[Z].2006.

Installation Strength Simulation and Test Verification of EMU Hanging Equipments

LIYilei，FANLetian，GUANQuanmei，ANXiaoyu，FUYina

(R&D Center of Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

This paper takes the hanging equipment frame structure of a certain type of EMU as an example, creates the finite element model based on the software ANSYS, and determines its load cases according to the standard EN12663[1]. The strength simulation and test verification of the framework and its mounting base has been completed, and the results can have certain reference for the design of hanging equipment frame structure.

EMU; frame; strength

1008-7842 (2015) 03-0046-05

??)女，工程師(

2014-11-11)

U270.1+2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.11