動車組高壓箱安裝結構強度仿真分析

陳 靜

（長春電子科技學院，長春 130012）

近年來，隨著我國鐵路工程的飛速發展，動車組以安全可靠、方便快捷以及節能環保等優勢備受社會各界青睞。牽引系統高壓電器設備作為動車組重要組成部分，其可靠性將會影響列車的安全性能，因此必須保證其具有足夠的強度，從而確保承載安全。高壓電器箱是連接車頂電纜與牽引變壓器的中間部件。它的集成部件主要包括真空斷路器、接地開關、高壓隔離開關、電壓互感器和避雷器等高壓設備[1-2]。

在設計研發時，要考慮高壓電器箱整體安裝強度和疲勞等問題。因此，本文利用有限元分析方法對結構進行強度分析，依據《鐵道應用：軌道車身的結構要求》（EN 12663-1-2010）標準校核高壓箱安裝結構和連接區域車體強度，并根據《焊接接頭與部件的疲勞設計》（IIW-1823-07）標準對高壓箱安裝結構進行疲勞強度校核和結構安全性評定。

1 高壓箱結構介紹

車頂高壓電器箱安裝結構由鋁合金型材構成，材料牌號為6063-T5，屈服極限為130 MPa，高壓箱主體材料為5083-H111，屈服極限125 MPa，連接區域車頂鋁型材材料為6005-T6，屈服極限215 MPa，鋁合金彈性模量為69 000 MPa，泊松比為0.33，密度為2.7 g·cm-3。高壓箱通過20個M10的螺栓與車頂安裝型材連接。

2 有限元模型建立

有限元分析是先將分析對象離散化，分割成有限個單元，再利用微積分逐漸逼近的原理，以有限未知量求解無限未知量的真實系統。利用Hypermesh軟件對高壓箱結構和車頂結構進行有限元網格的劃分。為了使計算結果更加準確，模型構成以4節點薄殼Shell單元為主，利用梁單元模擬連接高壓箱與車體的螺栓，用質量元模擬設備的質量，并將質量通過重心位置施加在相應安裝梁上。根據車頂高壓箱的位置，本文規定沿著車輛運行的方向為縱向（X軸），橫向垂直行車方向為橫向（Y軸），車體高度方向為垂向（Z軸），最終得到結構的有限元模型。整個結構的有限元模型中，單元總數為50 697個，節點總數為46 348個。

3 強度分析

3.1 靜強度分析

采用《鐵道應用：軌道車身的結構要求》（EN 12663-1-2010）標準分析高壓箱安裝結構的靜強度時，應力不得大于部件所用材料的屈服強度，即：

式中：S1為屈服安全系數；σc為計算應力；R為材料的屈服極限；安全系數規定為1.0。

依據EN 12663-1-2010標準，對高壓箱結構與連接區域車頂安裝型材分別施加X向為3g的加速度，Y向為1g的加速度，Z向為3g的加速度，由3方向的加速度合成高壓箱結構整體的加速度。由于高壓箱安裝在車體外部，故對高壓箱頂部施加6 000 Pa的壓強，使其和自重合成。具體工況如表1所示。

表1 靜強度工況

3.2 疲勞強度分析

根據《焊接接頭與部件的疲勞設計》（IIW-1823-07）標準進行疲勞強度分析，整體安裝結構采用材料為鋁型材，采用IIW標準中鋁型材S-N曲線評估結構的疲勞強度。

根據結構要求，設定3個疲勞計算工況：縱向振動工況，要求應能夠承受107次縱向振動加速度為±0.15g的循環載荷；橫向振動工況，要求應能夠承受107次橫向振動加速度為±0.15g的循環載荷；垂向振動工況，要求應能夠承受107次垂向振動加速度為±0.15g的循環載荷。

標準的壽命預測算法原理是基于Miner的線性疲勞損傷累積理論。線性疲勞損傷累積理論是指在不同載荷作用下各部分的累積損傷值可以線性疊加，不同應力循環互不干擾。當累積損傷達到一定限值時，該零部件會發生疲勞破壞[3]。

以ni表示載荷譜中應力范圍為Δσi的循環次數，Ni表示在該應力范圍時導致損壞的循環總數，則出現疲勞破壞的情況為：

在相關標準中，損傷比定義為：

式中：Δσ1和Δσ2為對應接頭疲勞等級S-N曲線拐點應力值；C1和C2為常系數；m為S-N曲線的斜率[4]。

疲勞強度的判定過程及判定原則：首先，根據焊接接頭形式和接頭外部作用載荷方向確定焊接接頭等級，參照標準取其等級為FAT71；其次，根據Miner線性損傷累積計算公式計算各疲勞工況下各點的損傷值；最后，將所有疲勞工況的損傷值相加，若總損傷值小于1，則符合要求[5]。

4 強度計算結果分析

4.1 靜強度仿真計算

利用ANSYS軟件進行強度分析，通過校核10種不同載荷工況下的高壓箱安裝結構以及連接區域車頂安裝型材，得出第9工況中高壓箱安裝結構最大Von-Mises應力為113.116 MPa，小于材料許用應力130 MPa，安全系數為1.15，應力云圖如圖1所示。可見，該結構滿足材料強度要求。

圖1 工況九的高壓箱安裝結構應力云圖

4.2 疲勞強度分析

經計算：不同疲勞強度工況下，高壓箱安裝結構累積損傷最大節點縱向振動工況計算應力為0.189 8 MPa，損傷為1.991×10-12；橫向振動工況計算應力為-0.823 6 MPa，損傷為3.065×10-9；垂向振動工況計算應力為-6.561 8 MPa，損傷為9.842×10-5。最大疲勞損傷發生在高壓箱與車體連接螺栓孔位置，最大累計損傷為9.842×10-5，小于標準中規定的疲勞損傷值1，因此結構滿足疲勞強度要求。

5 結語

依據EN 12663-1-2010標準，結合車輛實際運行情況，通過仿真分析動車組牽引系統高壓電器箱整體安裝結構，可知在不同工況下其應力結果均符合強度要求。在疲勞工況下，運用IIW標準中鋁型材S-N曲線進行分析，得出其滿足疲勞強度要求。