動車組玻璃鋼車頭及聯接結構建模方法研究

李曉峰，孫博飛，高峰( .大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連608; .中國北車集團唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063000)*

動車組玻璃鋼車頭及聯接結構建模方法研究

李曉峰1，孫博飛1，高峰2
( 1.大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連116028; 2.中國北車集團唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063000)*

對某型動車組玻璃鋼車頭模型進行合理簡化，依據EN12663－2010標準確定載荷工況，完成對玻璃鋼車頭及其聯接螺栓的強度校核.通過兩種建模方案的對比，確定玻璃鋼車頭的合理的建模方式.計算結果表明:玻璃鋼主結構及連接螺栓均滿足設計要求，以殼單元和梁單元來建模與實體化建模結果無明顯差異且節省計算時間.

高速列車;玻璃鋼車頭;強度校核;方案對比

0 引言

高速重載是我國鐵路發展的必然趨勢，我國引進動車組技術后，列車的運行速度不斷提高，行車阻力明顯增加.列車高速交會時會對列車表面產生瞬態的壓力沖擊，嚴重危害行車安全.我國既有鐵路干線客、貨列車不能分時分線運行，且線間距較小，使列車的空氣動力問題成為制約列車提速的主要因素［1］.為了降低空氣阻力對列車的影響，解決高速列車的空氣動力學問題，許多專家做了大量的研究.聶永紅等對流線型列車頭部端蓋自動開閉機構進行了研究［2］.張經強，梁習鋒運用流體動力學數值計算軟件CFX5.3對動車組進行了數值模擬計算并對列車頭部進行了改進［3］.姚拴寶等針對高速列車頭部外形的氣動減阻問題，提出了一套基于實數編碼遺傳算法的變光滑因子廣義回歸神經網絡響應面模型( GA-GRNN)的氣動外形優化方法［4］.Woodward C D 以NURBS曲線曲面的數學模型為基礎，在AutoCAD 的ARX和I-deas的Open I-deas開發平臺上提出了流線型列車頭部外形設計算法［5］.玻璃鋼作為一種新型復合材料，以其質量輕、機械強度高、耐腐蝕和電性能好及加工性能優良等特點［6］，正逐步應用于高速列車車頭部位，其強度與列車安全性密切相關.

本文對某型動車組玻璃鋼車頭模型進行合理簡化，依據EN12663-2010鐵路車輛車體的結構要求確定載荷工況，對高速動車組玻璃鋼車頭及其與車體聯接結構進行強度有限元分析與評價.為確定玻璃鋼車頭合理的建模方法，對該型動車組玻璃鋼車頭分別用兩種方法建模，通過對兩種建模方案的聯接螺栓以及玻璃鋼部件的應力對比分析，最終確定了玻璃鋼車頭的合理的建模方案.

1 玻璃鋼車頭結構及計算載荷

高速動車組玻璃鋼車頭結構主要由車頭主結構、開閉結構、裙板和前端安裝支架等組成，其幾何結構見圖1.車頭主結構、開閉機構、裙板均為玻璃鋼復合材料.玻璃鋼車頭與車體之間由膠體以及螺栓聯接.車頭結構部件的主要材料性能參數見表1.

圖1 高速動車組玻璃鋼車頭結構

表1 玻璃鋼車頭材料性能參數

依據EN12663-2010標準確定動車組玻璃鋼車頭有限元分析計算的載荷工況時，將其作為聯接在車體上的一個附屬設備，并根據其承受列車雙向運行時產生的空氣動力學壓力，共確定了8種載荷工況，見表2.

表2 玻璃鋼車頭載荷工況匯總

2 玻璃鋼車頭計算模型

根據玻璃鋼車頭的三維實體模型，以及各部件之間的聯接關系對該車頭進行有限元建模.由于幾何模型在橫向上對稱，故有限元模型采用對稱模型計算.凡是對玻璃鋼車頭整體剛度及局部強度有貢獻的結構，都予以考慮.全部實體化建模方案一中有限元模型主要由六面體單元組成，其單元總數為745473;結點總數為1118803.其中:利用接觸關系定義螺栓墊圈與玻璃鋼、玻璃鋼與大墊圈以及大墊圈與鋁合金車體之間的相互作用關系，共計定義13個接觸對.有限元模型見圖2( a).用平面殼單元與梁單元的建模方案二中，其單元總數為556321;結點總數為773128.有限元模型見圖2( b).

圖2 車頭玻璃鋼部件有限元模型

3 計算分析

3.1螺栓總拉力及預緊力的計算方法

螺栓在安裝時，每個螺栓受有預緊力QP，當承受軸向工作載荷F后，由于螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力不等于預緊力QP和工作拉力F之和;而是與QP，F和螺栓剛度CL，被連接件的剛度CF有關，當應變在彈性變形范圍內，各零件受力可根據靜力平衡和變形協調條件進行分析.因此，螺栓的總拉力等于預緊力加上部分工作載荷，即:

另外，螺栓在預緊力Qp作用下的螺桿拉應力為

聯接螺栓參數:直徑為12 mm、預緊力矩28 N·m，代入式( 2)計算得到螺栓預緊力為11 667 N.

3.2建模方案一分析結果

在各計算工況作用下，建模方案一的計算結果見表3.由表3可以看出:螺栓應力主要受螺栓預緊力影響，工作工況對其影響不大;氣動載荷工況較其他工況對車頭影響大，工況7下主結構、螺栓最大Von.Mises應力分別為69.7、290.3 MPa，應力云圖參見圖3和圖4;各結構計算結果均符合設計要求.

表3 玻璃鋼車頭計算結果匯總表 MPa

圖3 主結構Von.Mises應力云圖(方案一)

圖4 螺栓Von.Mises應力云圖(方案一)

由于建模方案一考慮了螺栓的預緊力，所以主結構的應力在加速度工況作用下比較大，不考慮聯接螺栓預緊力影響的部位玻璃鋼車頭主結構應力與螺栓的拉應力見表4.

表4 玻璃鋼車頭主結構計算結果匯總表 MPa

3.3建模方案二分析結果

在各計算工況作用下，建模方案二的計算結果見表5.依據車頭在各靜強度計算工況作用下的有限元分析結果，提取了考核螺栓的內力，作為螺栓工作拉力的計算數據.由于螺栓在裝配時必須將螺母擰緊，所以螺栓螺紋部分不僅受預緊力所產生的拉應力的作用，同時還受螺紋副間的摩擦力矩所產生的扭轉應力的作用，因此計算時將工作應力增大30%，以考慮扭轉力矩的影響.工況7下主結構應力云圖如圖5所示.

圖5 主結構Von.Mises應力云圖(方案二)

4 結論

通過兩種建模方式，對玻璃鋼車頭主結構及其與車體聯接螺栓進行有限元分析，結果顯示: 8種載荷工況作用下，玻璃鋼車頭重要部件及連接螺栓強度均滿足設計要求;兩種建模方式車頭主結構最大應力發生位置基本一致，應力大小無明顯差異，用梁單元模擬螺栓比用接觸關系模擬螺栓的應力略小.通過此次分析可以發現，采用預緊單元施加預緊力能直接、準確地模擬預緊力的作用，但建模方式復雜，所需計算資源較大，耗費時.

［1］田紅旗.中國列車空氣動力學研究進展［J］.交通運輸工程學報，2006，6( 1) : 1-9.

［2］聶永紅，劉國偉，丁叁叁.流線型列車頭部端蓋自動開閉機構選型分析［J］.中國鐵道科學，2003( 3) : 30-33.

［3］張經強，梁習鋒.高速列車外形的氣動性能數值計算和頭部外形的改進［J］.計算力學學報，2003，20( 5) : 631-635.

［4］姚拴寶，郭迪龍，楊國偉.基于GA-GRNN的高速列車頭型三維優化設計［J］.中國科學(技術科學)，2012，42( 11) : 1283-1294.

［5］WOODWARD C D.Skinning Techniques for Interactive B-Spline Surface Interpolation［J］.Computer-Aided Design，1988，20( 8) : 441-451.

［6］劉鈞，曾竟成，馬良，等.高速列車機車用復合材料車頭蓋的研制［J］.纖維復合材料，2003( 4) : 36-38.

Study of EMU GRP Front and Coupling Structure Modeling Method

LI Xiaofeng1，SUN Bofei1，GAO Feng2
( 1.School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China; 2.CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd，Tangshan 063000，China)

A type of EMU GRP front model was simplified based on criteria EN12663-2010 to determine load cases，and the strength of the GRP front and connecting bolts were checked.By comparing the two modeling programs，the reasonable modeling method of the GRP front is determined.The results show that the main structure of the GRP and bolts meet the design requirements with no significant differences in calculation and time saving.

high-speed trains; GRP front; strength check; program comparison

A

1673-9590( 2016) 01-0036-04

2015-05-13

中國鐵路總公司科技研究開發計劃資助項目( 2014J004－N)

李曉峰( 1972－)，男，副教授，博士，主要從事車輛CAE關鍵技術的研究

E-mail: lixiaofeng2007@126.com.