基于ANSYS的燃料電池低地板車體強度分析

王國靜 蘇強 崔凱

摘 要：本文介紹了薄壁筒型整體承載的燃料電池低地板有軌電車車體結(jié)構(gòu)及特點。在三維模型軟件Pro/E中建立了車體的模型，依據(jù)歐洲標準確定了載荷參數(shù)及工況，運用有限元分析軟件AYSYS求解器進行求解，得到車體結(jié)構(gòu)在給定工況下所產(chǎn)生的應(yīng)力。結(jié)果表明該燃料電池低地板鋁合金車體的強度滿足要求，同時為此類車體結(jié)構(gòu)再優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)改進提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：燃料電池低地板有軌電車；車體結(jié)構(gòu)；ANSYS；工況；應(yīng)力

1 前言

車體是車輛結(jié)構(gòu)的主體，車體強度關(guān)系到車輛運行的安全性和可靠性。因此，為保證車體強度及乘客的人身安全，車體強度的計算對車體的設(shè)計非常重要。本文進行了燃料電池低地板有軌電車車體結(jié)構(gòu)及特點介紹，通過三維模型軟件Pro/E中建立了車體的模型，依據(jù)歐洲標準確定了載荷參數(shù)及工況，運用有限元分析軟件AYSYS求解器進行求解，得到車體結(jié)構(gòu)在給定工況下所產(chǎn)生的應(yīng)力，為車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供依據(jù)。

2 燃料電池低地板有軌電車車體結(jié)構(gòu)特點

燃料電池低地板有軌電車車體系統(tǒng)為整體承載筒形結(jié)構(gòu)。車體由大斷面鋁擠壓型材焊接而成。底架枕梁結(jié)構(gòu)獨特新穎，為十字梁結(jié)構(gòu)，輪對上方采用車輪罩結(jié)構(gòu)，車輪罩與車體采用結(jié)構(gòu)膠粘接，這樣一方面能滿足載客量要求，另一方面枕梁處可通過自身變形向車體兩端傳遞載荷以釋放應(yīng)力，車輪罩與車體的彈性連接使其具有更高的疲勞強度，提高車體壽命。車頂中間為拱形，兩側(cè)為平面，能夠很好的實現(xiàn)車頂排水，同時車頂兩側(cè)的平面主要安裝電氣設(shè)備，方便設(shè)備的檢查和維修。端墻結(jié)構(gòu)簡單，端墻內(nèi)輪廓依據(jù)風(fēng)擋及內(nèi)裝的要求設(shè)計為類似月亮門形狀，外行美觀。

此車所有的電氣設(shè)備均安裝到車頂，使得車下結(jié)構(gòu)簡單，大大降低了車體的高度，從而低地板達到100%。

車與車之間通過鉸接裝置進行聯(lián)掛，使列車順利通過曲線線路。同時鉸接裝置能夠承受列車的沖擊和振動，能夠傳遞車輛間的縱向載荷、橫向載荷、垂向載荷。

燃料電池低地板有軌電車車輛及車體的主要技術(shù)參數(shù)為車體強度計算提供了邊界條件，其中Mc車車體長度為10050mm，T車車體長度為9140mm；車體寬度和高度分別是2650mm和3500mm。

3 燃料電池低地板有軌電車車體有限元模型

根據(jù)車體三維實體模型確定所有結(jié)構(gòu)和型材的實際斷面，然后，建立車體相應(yīng)結(jié)構(gòu)和型材的中面線框，建立與之對應(yīng)的有限元分析所需的車體三維中面模型。凡是對該車整體剛度及局部強度有貢獻的結(jié)構(gòu)，都予以考慮[1]。考慮計算的準確性，模型構(gòu)成以任意四節(jié)點薄殼單元為主，三節(jié)點薄殼單元為輔。整車結(jié)構(gòu)的有限元模型中單元總數(shù)為2173049，結(jié)點總數(shù)為1736446，圖1給出了整車車體結(jié)構(gòu)的有限元模型。

3.1 仿真流程

首先，在Pro/E中建立車體的三維模型，為減少工作量提高仿真效率對車上及車外設(shè)備的幾何模型進行簡化處理。其次，保證在Hyperrmesh中劃分單元網(wǎng)格。再次，依據(jù)EN12663-1：2010《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》確定了本文的仿真參數(shù)和仿真工況。最后，利用ANSYS軟件自帶的求解器進行求解，具體仿真過程參照圖2。

3.2 仿真工況

依據(jù)EN12663-1：2010《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》共設(shè)定了20種仿真工況[2]，縱向載荷工況2個，垂向載荷工況及吊車工況工18個。現(xiàn)對縱向和垂向載荷工況進行詳細分析，具體參照表1。

4 計算結(jié)果分析

四種工況作用下，車體的最大應(yīng)力云圖如圖3所示。

四種工況下，車體的最大應(yīng)力情況如下：

縱向拉伸載荷工況作用下：最大應(yīng)力分別為156MPa，發(fā)生在頭車轉(zhuǎn)向架座型材處；

縱向壓縮載荷工況作用下：最大應(yīng)力為157MPa，發(fā)生在頭車轉(zhuǎn)向架座橫梁處；

垂向載荷工況作用下：最大應(yīng)力分別為192MPa和156MPa，均發(fā)生在頭車轉(zhuǎn)向架座型材處；

將四種工況下應(yīng)力較大的應(yīng)力云圖進行分析，上述四種縱向和垂向載荷工況，應(yīng)力均較大，應(yīng)力較大值均在底架的轉(zhuǎn)向架座型材和橫梁位置處。但最大Mises應(yīng)力值均小于相應(yīng)材料的屈服強度，該車車體的靜強度滿足標準要求。其它工況作用下應(yīng)力比較小，且強度合格不再贅述。

5 結(jié)論

上述計算表明，使用殼單元模擬車體結(jié)構(gòu)，能夠有效的反映出鋁合金車體的結(jié)構(gòu)特點，是車體靜強度分析的理想手段。

（1）本文分析的四種載荷工況有效的模擬了燃料電池低地板有軌電車車體縱向和垂向受力工況。經(jīng)有限元靜強度計算，車體在給定的四種工況下的應(yīng)力水平都小于相應(yīng)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的應(yīng)力。

（2）本文的車體強度計算為燃料電池低地板有軌電車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

參考文獻

[1]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000

（作者單位：中車唐山機車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心）