動力集中動力車空調(diào)裝置箱體有限元分析

鞠盈子 龐學博 程顯耀 薛鑫

摘要：動力集中動車組客車裝備柜式空調(diào)機組安裝在設備間端部司機室側。空調(diào)系統(tǒng)主要包括：壓縮機、換熱器、風機、節(jié)流裝置、制冷管路、控制閥和開關，空調(diào)控制盤和箱體。本文對動力集中動力車空調(diào)裝置箱體進行了靜強度和疲勞強度的校核計算，利用HyperMesh建立有限元模型，并結合實際工況，采用ANSYS軟件對空調(diào)裝置進行有限元分析，為下一步?jīng)_擊振動試驗和結構改進提供理論依據(jù)。

關鍵詞：動力集中動力車;空調(diào)裝置箱體;有限元分析

0? 引言

普通鐵路客車有很大的市場需求，動力集中動車組是未來鐵路主型客運列車，該動力集中動車組客車裝備柜式空調(diào)機組，安裝在設備間端部司機室側，以調(diào)節(jié)司機室內(nèi)空氣濕度以及氣流速度和溫度等參數(shù)。該空調(diào)系統(tǒng)主要包括：壓縮機、換熱器、風機、節(jié)流裝置、制冷管路、控制閥和開關，空調(diào)控制盤和箱體。客車空調(diào)機組均采用單元式結構，空調(diào)為前出風下回風型式，將車外新鮮空氣吸入并于車內(nèi)再循環(huán)空氣混合，在過濾灰塵及雜質(zhì)后，通過風道分配至車內(nèi)，以保證車內(nèi)潔凈度及合理流動速度及氣流組織，冬季，通風機將吸入車內(nèi)外的混合空氣加熱后送入車內(nèi)。客車在高速運行狀態(tài)下，對空調(diào)裝置結構的穩(wěn)定性有著嚴格要求，因此，對空調(diào)裝置箱體進行有限元仿真分析，可以了解空調(diào)機箱在不同工況下箱體受力情況，提前預測箱體結構在設計中可能存在的缺陷，并對薄弱位置進行優(yōu)化設計。

1? 箱體有限元模型建立及約束邊界

本文以動集動力車空調(diào)機箱作為研究對象，利用有限元分析法來有效分析此類結構，本文采用ANSYS和HyperMesh程序來計算動集動力車空調(diào)裝置強度有限元分析，這兩種軟件的建模和分析功能在汽車交通、造船、航空航天等工業(yè)已獲得廣泛應用，對所得相關數(shù)據(jù)進行分析總結，保證動集動力車空調(diào)機箱結構使用的可靠性，并為后期的優(yōu)化設計以及空調(diào)機組整改提供數(shù)據(jù)理論支持。

動集動力車空調(diào)裝置的有限元模型構成以任意四節(jié)點等參薄殼單元為主，與板單元相比，殼單元由于結合考慮了結構單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應，因此具有更高的計算精度。整個結構有限元模型的節(jié)點總數(shù)為43100，單元總數(shù)為42559。箱體的有限元模型如圖1所示，箱體內(nèi)外吊裝各部件模塊通過集中質(zhì)量方式施加在其重心處，模塊質(zhì)量單元分布位置如圖2所示，箱體強度分析的邊界條件施加位置如圖3，在1、2、3、4、5、6六個吊掛點施加三向平動位移約束。圖中的坐標軸X、Y、Z正方向分別對應車體的橫向、縱向、垂向。

2? 箱體靜強度分析

2.1 箱體有限元模型載荷工況的施加

根據(jù)本文所研究的內(nèi)容為空調(diào)機箱的分析計算，各種工況下靜強度分析依據(jù)EN12663-2010標準中要求，空調(diào)裝置靜強度分析參考了如下6種計算工況 ：

①計算工況1：縱向加速度為5.0g，垂向加速度為-1.0g;

②計算工況2：縱向加速度為-5.0g，垂向加速度為-1.0g;

③計算工況3：橫向加速度為1.0g，垂向加速度為-1.0g;

④計算工況4：橫向加速度為-1.0g，垂向加速度為-1.0g;

⑤計算工況5：垂向-1.0g+2.0g;

⑥計算工況6：垂向-1.0g-2.0g。

評定標準應當依據(jù)EN12663-2010標準對結構靜強度的要求，在既定的靜強度工況下，計算Von Mises應力不應該超過相應材料的許用應力（205MPa），靜強度與疲勞強度分析的載荷均施加在箱體組成部件上，g=9.81m/s2。

2.2 箱體有限元模型剛度及強度結果分析

既定6種靜強度工況下箱體的最大計算結果及最大位移變形值如表1和表2所示，應力最大點主要發(fā)生在箱體隔板與蒸發(fā)風機安裝座連接處。

3? 箱體疲勞分析

3.1 疲勞理論基本思想

研究成果表明，由于在焊接過程中結構焊縫及其附近存有達到或接近屈服點的殘余應力，不管外加動應力的循環(huán)特性如何，焊縫附近的實際循環(huán)應力是從母材的屈服應力向下擺動。例如，標稱應力為+？滓1到-？滓2，則其應力范圍為？滓y-（+？滓1-？滓2）。但接頭中的實際應力循環(huán)范圍將由？滓y（達到屈服點的應力幅值）到？滓y-（？滓1+？滓2）。這說明，實際應力范圍和與其相關的疲勞循環(huán)次數(shù)、疲勞強度主要與施加應力范圍有關，而最大、最小循環(huán)應力值以及應力循環(huán)特性對它的影響較小。這一點在研究焊接接頭疲勞強度時是非常重要的，這意味著焊接接頭的疲勞性能許用應力范圍概念的表述是科學的。因此，BS7608-1993標準采用應力范圍來描述S-N曲線，如圖4。圖4所示的BS7608-1993標準的S-N曲線是以應力范圍和循環(huán)次數(shù)表示的，且為雙斜率曲線，標準中各種焊接接頭對應疲勞強度的高低以疲勞等級（FAT）表示，它對應于循環(huán)200萬次的常幅應力范圍的值。

BS7608-1993標準的壽命預測算法原理是基于Miners損傷累計理論。該理論的主要假設是：等幅疲勞載荷譜作用下，每次循環(huán)加載所造成的損傷增量相等且獨立可加;多級變幅疲勞載荷譜作用下，各級循環(huán)加載所造成的損傷增量獨立可加;材料疲勞破壞所對應的臨界損傷是一常量，僅依賴于材料特性，與載荷譜及加載歷程無關。以ni表示載荷譜中應力范圍為？駐？滓i的循環(huán)次數(shù)，Ni表示在該應力范圍時將導致?lián)p壞的循環(huán)總數(shù)，則在下式情況時出現(xiàn)疲勞破壞：

式中，？駐？滓0為評估點的S-N曲線拐點;m為S-N曲線斜率。

3.2 疲勞工況的載荷施加

在各疲勞計算工況作用下，選取空調(diào)裝置3個疲勞強度薄弱部位作為評估點，在橫向、縱向、垂向分別施加疲勞計算工況△0.3g。

3.3 疲勞結果分析

依據(jù)BS7608-1993標準，對于應力變化范圍小于許用應力變化范圍的低應力循環(huán)，對疲勞損傷也有貢獻。在疲勞計算工況作用下，箱體評估點的累積損傷如表3。

選取的3個評估點位置的疲勞累積損傷比均小于1，箱體的疲勞強度滿足BS7608-1993標準要求。

4? 總結

本文通過對動集動力車空調(diào)箱體進行了靜強度和疲勞強度有限元分析，依據(jù)相關要求，對不同工況下的靜強度與疲勞強度進行相關分析，得出了以下結論，空調(diào)裝置的靜強度計算結果均在材料的許用應力范圍內(nèi);在疲勞工況下，各評估點的疲勞損傷累計均小于1，因此空調(diào)裝置箱體的靜強度與疲勞強度均滿足要求。由計算結果驗證了結構設計的合理性，為下一步的沖擊振動試驗分析提供了理論依據(jù)。

參考文獻：

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