基于ANSYS Workbench的集中動力動車組污物箱仿真分析

，

(寧波中車時代傳感技術有限公司，浙江寧波315000)

0 引言

真空集便系統作為集中動力動車組給水衛生系統的重要組成部分，以其結構簡單、經濟環保、耗氣耗水量少等優點在軌道車輛中得到迅速發展[1]。

真空集便系統是通過抽取污物箱中的空氣，使污物箱中產生真空，利用加壓水將便盆中的污物沖洗到污物箱中[2]。而污物箱作為其重要組成，一般是采用螺栓連接的方式吊裝在車底。集中動力動車組在行進過程中，由于車輪與軌道的碰撞，將會對污物箱的吊梁產生劇烈的影響，一旦污物箱的吊梁產生脫落，污物箱掉落在軌道上，將會導致車輛翻車，危及旅客安全[3-4]。因此，有必要在設計過程中按照設計標準(EN12663-1：2010)對污物箱進行有限元分析。

本文基于ANSYS Workbench 仿真分析軟件，以集中動力動車組的真空集便系統550 L污物箱為分析對象，分別進行了靜強度分析、疲勞強度分析以及模態分析，仿真結果顯示該污物箱能滿足設計的要求。

1 550 L污物箱有限元模型

1.1 模型簡化與網格劃分

圖1 污物箱幾何模型

集中動力動車組550 L污物箱主要由外蒙皮、內箱體框架、安裝支架、內箱體、管道、閥門、電氣箱等組裝成。污物箱由其頂部安裝支架通過螺栓與車底連接，其幾何模型如圖1所示。

污物箱外蒙皮箱體由鉚釘固定在內箱體框架上，內箱體和內箱體框架采用焊接方式連接。由于蒙皮箱體、防寒材料以及一些功能部件對污物箱結構強度沒有幫助，因此在有限元建模時主要考慮作為承載主體的內箱體框架結構，并對幾何模型進行適當修正，刪除模型中對承載結構影響不大的倒角、圓角、圓孔等。

污物箱整體由板材焊接而成，對簡化的幾何模型抽取中面，保留原始板材厚度信息，采用四節點四邊形殼單元劃分網格，單元尺寸8 mm，單元總數和單元節點數分別為160758和168396，其有限元模型如圖2。

1.2 材料參數

污物箱主要結構所使用的材料為304不銹鋼，具體材料屬性見表1。

表1材料參數

1.3 邊界條件

圖3 邊界條件示意圖

污物箱頂部通過安裝吊耳由螺栓連接到車體上，根據實際安裝方式，約束頂部吊耳螺栓孔處所有自由度，如圖3。

2 污物箱靜強度計算與結果分析

2.1 污物箱靜強度工況

根據設計標準EN12663-1：2010和設計標準TB/T 1720-2010，采用PⅡ類規定的載荷，保壓載荷為-25 kPa，均勻施加在內箱體內壁上，其中x方向為列車運行方向，y方向為列車橫軸方向，z方向為垂直軌面向上，計算滿箱時的狀況，靜態計算工況見表2。

2.2 靜強度結果分析

根據EN12663-1：2010規定，本次有限元分析所采用的安全系數如表3，材料的許用強度如表4。

表2靜態工況

表3EN12663∶2010規定的安全系數

表4材料的許用強度

根據材料利用系數判定污箱結構強度是否滿足要求，具體公式：

(1)

式中：UF為材料利用系數，σequivalent為仿真計算得到的結構最大von mises等效應力，σallowable為材料的許用應力，許用應力的計算公式：

(2)

式中：R0.2為材料屈服強度，Rm為材料許用強度。仿真計算結果見圖4-圖8。

圖4 S01工況應力云圖和變形云圖

圖5 S02工況應力云圖和變形云圖

圖6 S03工況應力云圖和變形云圖

圖7 S04工況應力云圖和變形云圖

圖8 S05工況應力云圖和變形云圖

由圖4-圖8的仿真計算結果可以看出，污物箱最大von mises等效應力和最大變形都發生在S01工況，在污物箱的吊耳懸掛處von mises等效應力最大，其值為141.07 MPa，在污物箱內箱體上部的中間位置處變形量最大，最大變形量為1.20 mm，由公式(1)和公式(2)計算污物箱在最大von mises等效應力下材料的利用系數為0.79<1，因此在靜態工況下滿足強度要求。

3 污物箱疲勞計算與結果分析

3.1 污物箱疲勞工況

根據設計標準EN12663-1：2010和設計標準TB/T 1720-2010，采用PⅡ類規定的載荷，保壓載荷為-25 kPa，計算滿箱時的狀況，疲勞計算工況見表5。

表5疲勞工況

3.2 疲勞工況結果分析

根據EN12663-1：2010規定，本次有限元分析所采用的安全系數如表6。

表6EN12663-1：2010規定的安全系數

仿真計算結果見圖9-圖16。

圖9 F01工況變形云圖和應力云圖

圖10 F02工況變形云圖和應力云圖

圖11 F03工況應力云圖和變形云圖

圖12 F04工況應力云圖和變形云圖

圖13 F05工況應力云圖和變形云圖

圖14 F06工況應力云圖和變形云圖

圖15 F07工況應力云圖和變形云圖

圖16 F08工況應力云圖和變形云圖

由圖9-圖16的仿真計算結果可以看出，污物箱最大von mises等效應力發生在F06工況，在污物箱的吊耳懸掛處von mises等效應力最大，其值為126.06 MPa，產生于吊耳懸掛處；最大變形發生在F02工況，在污物箱內箱體上部的中間位置處變形量最大，最大變形量為0.91 mm，由公式(1)和公式(2)計算污物箱在最大von mises等效應力下材料的利用系數為0.71<1，因此在疲勞工況下滿足強度要求。

4 污物箱模態分析

集中動力動車組在行駛過程中由于車輪與軌道的相互碰撞引起整列車發生振動，當污物箱固有頻率與列車的振動頻率相同時會產生共振，將會對污物箱吊梁產生嚴重破壞[5]。因此，有必要對550 L污物箱進行模態分析，選取污物箱主框架前6階模態振型及其固有頻率如表7，其6階模態振型圖如圖17-圖22。

表7污物箱模態分析結果

由表7可看出污物箱的一階固有頻率為22.66 Hz，大于集中動力動車組在運行時的一階振動頻率(10 Hz ～14 Hz)，因此污物箱滿足設計要求。

圖17 一階模態振型圖 圖18 二階模態振型圖

圖19 三階模態振型圖 圖20 四階模態振型圖

圖21 五階模態振型圖 圖22 六階模態振型圖

5 結論

根據EN12663-1：2010設計標準對集中動力動車組550 L污物箱分別進行了靜態、疲勞以及模態仿真計算，利用材料利用系數驗證了結構設計的合理性。由計算結果可知：

1)在靜態工況和疲勞工況下，550 L污物箱的最大von mises等效應力均發生在吊耳處，在內箱體上部的中間位置處變形量最大。

2)在不同的加速度載荷作用下，550 L污物箱的最大von mises等效應力均小于材料的許用應力，強度設計滿足要求。

3)550L污物箱的一階固有頻率大于集中動力動車組在運行時的一階振動頻率，滿足設計要求。