基于SolidWorks Simulation對(duì)CRH380B動(dòng)車組側(cè)部外風(fēng)擋運(yùn)用檢修重點(diǎn)的分析

張真彧

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京動(dòng)車段，江蘇 南京 210012）

0 引言

外風(fēng)擋的檢修是保障動(dòng)車安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一。CRH380B型動(dòng)車組的外風(fēng)擋由一個(gè)頂部外風(fēng)擋和兩個(gè)側(cè)部外風(fēng)擋所構(gòu)成。由于受運(yùn)用檢修的修程與修制限制，使得側(cè)部外風(fēng)擋的高效高質(zhì)檢修存在一定難度。有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的數(shù)值分析方法[1]，其最早應(yīng)用于航天航空事業(yè)。隨著有限元分析理論的逐步成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)EA方法迅速從航天航空事業(yè)擴(kuò)展到幾乎所有工程分析領(lǐng)域，目前已成為工程分析領(lǐng)域技術(shù)人員不可或缺的分析手段。因此，本文利用SolidWorks Simulation軟件建模仿真，對(duì)CRH380B型動(dòng)車組的側(cè)部外風(fēng)擋進(jìn)行有限元分析，旨在明確該型動(dòng)車組側(cè)部外風(fēng)擋檢修的重點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)高效率的動(dòng)車組精檢細(xì)修，確保動(dòng)車組的運(yùn)行安全。

1 CRH380B型動(dòng)車組側(cè)部外風(fēng)擋的結(jié)構(gòu)

CRH380B型動(dòng)車組的側(cè)部外風(fēng)擋是根據(jù)其端墻外部輪廓設(shè)計(jì)而成，其長度方向與車體端墻外側(cè)吻合，高度方向根據(jù)車端距設(shè)計(jì)而成。外風(fēng)擋由膠囊與安裝框組成，安裝框包括內(nèi)外圍邊、橫梁以及內(nèi)外壓條。根據(jù)中國國家鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB/T3138-2006，CRH380B型動(dòng)車組的側(cè)部外風(fēng)擋膠囊采用EPDM橡膠，安裝框中的內(nèi)外圍邊以及橫梁均為鋁合金型材6005A-T6，內(nèi)外壓條為鋁合金板材A5083-H111。膠囊通過M8螺栓固定在安裝框上，螺栓緊固扭矩為14.1 N.m。

2 側(cè)部外風(fēng)擋運(yùn)用檢修的標(biāo)準(zhǔn)與難點(diǎn)

根據(jù)中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京動(dòng)車段修訂的《CRH380B型動(dòng)車組一級(jí)檢修作業(yè)指導(dǎo)書》（V6.0版）中的要求，作業(yè)人員必須檢查外風(fēng)擋是否出現(xiàn)撕裂、掉漆，外風(fēng)擋的固定螺栓是否松動(dòng)。以一級(jí)修為例，車下作業(yè)人數(shù)為2人，無電作業(yè)時(shí)間為60 min，期間作業(yè)人員須對(duì)輪對(duì)軸箱、轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)設(shè)備、轉(zhuǎn)向架牽引設(shè)備、轉(zhuǎn)向架制動(dòng)設(shè)備、一系懸掛、二系懸掛、車端連接設(shè)備、車體外皮、外顯、裙底板、活動(dòng)蓋板等許多設(shè)備進(jìn)行快速目視檢查。但是，由于側(cè)部外風(fēng)擋表面積較大，高度較高，數(shù)量多且平臺(tái)側(cè)作業(yè)時(shí)有二層作業(yè)平臺(tái)形成的視線干擾，導(dǎo)致作業(yè)人員在快節(jié)奏的檢查中很難做到面面俱到。因此，為了避免漏檢漏修的情況發(fā)生，對(duì)動(dòng)車組側(cè)部外風(fēng)擋進(jìn)行有限元分析，明確其檢修重點(diǎn)位置顯得尤為重要。

3 仿真軟件的選擇

SolidWorks Simulation 是一種與 SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation通過近年來的發(fā)展，其精確程度有了相當(dāng)大的提高，能夠滿足用戶對(duì)應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析的需求[2]。同時(shí)，也憑借著其高性價(jià)比與快速解算器的強(qiáng)有力支持，使得用戶能夠使用個(gè)人計(jì)算機(jī)快速解決大型問題，節(jié)省大量設(shè)計(jì)所需的時(shí)間和精力，也可大大降低設(shè)計(jì)的測試成本。因此，本文使用SolidWorks Simulation軟件對(duì)CRH380B型動(dòng)車組的側(cè)部外風(fēng)擋進(jìn)行有限元分析。

4 側(cè)部外風(fēng)擋的有限元分析

4.1 分析步驟

為分析動(dòng)車組在運(yùn)行時(shí)側(cè)部外風(fēng)擋受到負(fù)載后，自身應(yīng)力、位移、應(yīng)變的分布情況，利用SolidWorks Simulation軟件對(duì)側(cè)部外風(fēng)擋幾何模型建立與仿真。參考該軟件應(yīng)用教程[3]，設(shè)置的分析步驟為：建立零部件的幾何模型→建立新算例→賦予零部件材料→劃分網(wǎng)格→添加外部約束→施加外部載荷→運(yùn)行算例→顯示結(jié)果。

4.2 模型建立

為加快仿真速度，使仿真更有針對(duì)性，對(duì)一些不重要的零部件進(jìn)行簡化、壓縮。將側(cè)部外風(fēng)擋框架中的內(nèi)外圍邊、橫梁以及內(nèi)外壓條視為剛性，主要研究側(cè)部外風(fēng)擋膠囊在受到負(fù)載后，自身應(yīng)力、位移、應(yīng)變的分布情況。

4.3 定義零部件材料

CRH380B型動(dòng)車組的側(cè)部外風(fēng)擋膠囊為EPDM橡膠，安裝框中的內(nèi)外圍邊以及橫梁均為鋁合金型材6005A-T6，內(nèi)外壓條為鋁合金板材A5083-H111。

4.4 劃分網(wǎng)格

定義材料后，可對(duì)側(cè)部外風(fēng)擋進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用高品質(zhì)網(wǎng)格，基于曲率的網(wǎng)格，設(shè)置雅可比點(diǎn)為4，網(wǎng)格單元最小尺寸設(shè)定為2.11mm，最大尺寸設(shè)定為10.57mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為245632個(gè)，單元總數(shù)為146694個(gè)。由于外風(fēng)擋膠囊與內(nèi)外壓條接觸位置以及外風(fēng)擋膠囊螺栓孔位置均為多個(gè)零部件的結(jié)合處，需要特別關(guān)注。所以將該部分的網(wǎng)格劃分得更密集一些。

4.5 添加外部約束

根據(jù)唐山軌道客車有限責(zé)任公司用戶文件CF17-DC025，側(cè)部外風(fēng)擋膠囊安裝螺栓的扭矩為14.1N.m。為了簡化仿真環(huán)境，使分析結(jié)果更有針對(duì)性，如圖1所示，在SolidWorks Simulation系統(tǒng)中，對(duì)側(cè)部外風(fēng)擋膠囊與安裝框架的連接定義為螺栓接頭，扭矩加載為14.1N.m，外部約束只添加在外風(fēng)擋安裝框架上，其夾具類型為固定幾何體，設(shè)定X，Y，Z軸方向上均無位移（圖1綠色箭頭處）。

4.6 施加外部載荷

當(dāng)列車以350km/h速度在線路上運(yùn)行時(shí)，通過差壓傳感器采集的數(shù)據(jù)對(duì)側(cè)部外風(fēng)擋的受壓情況進(jìn)行分析，得到側(cè)部外風(fēng)擋膠囊內(nèi)側(cè)與外側(cè)受到的壓差分別為63Pa與274Pa[4]。由于同一車端連接處兩風(fēng)擋間有縫隙，氣流從縫隙進(jìn)入風(fēng)擋腔中，根據(jù)伯努利積分，膠囊內(nèi)的流速小于車外流速，因此膠囊內(nèi)的壓力大于膠囊外的壓力，拱形膠囊受到由膠囊內(nèi)向膠囊外的拉力，造成側(cè)部外風(fēng)擋膠囊的外側(cè)與內(nèi)側(cè)受力方向均為正。由于側(cè)部外風(fēng)擋膠囊在三維模型中為一連續(xù)曲面，Solidworks Simulation仿真系統(tǒng)無法區(qū)分其內(nèi)側(cè)與外側(cè)。所以在建立側(cè)部外風(fēng)擋膠囊三維模型時(shí)，通過投影分割線的方式將其內(nèi)側(cè)與外側(cè)進(jìn)行劃分，外側(cè)添加大小為274Pa的壓強(qiáng)載荷，內(nèi)側(cè)添加大小為63Pa的壓強(qiáng)載荷，法向均向外（圖1紅色箭頭處）。

4.7 有限元分析結(jié)果

完成以上步驟后，通過單擊SolidWorks Simulation選項(xiàng)卡中的運(yùn)行此算例按鈕，即可運(yùn)行算例，得出有限元分析結(jié)果。Von Mises等效應(yīng)力云圖（圖2）中低應(yīng)力區(qū)呈現(xiàn)為藍(lán)色，高應(yīng)力區(qū)呈現(xiàn)為綠色，應(yīng)力越高的位置顏色越淺，最大應(yīng)力位置呈現(xiàn)為紅色。由此可見，CRH380B型動(dòng)車組側(cè)部外風(fēng)擋膠囊的高應(yīng)力區(qū)主要分布在膠囊與安裝框架結(jié)合位置和膠囊彎折位置，最大應(yīng)力位于螺栓孔處。此仿真結(jié)果說明膠囊與安裝框架結(jié)合位置和膠囊彎折位置發(fā)生撕裂的概率大于其它位置，外風(fēng)擋膠囊在螺栓孔處易發(fā)生變形。在實(shí)際檢修中我們常發(fā)現(xiàn)膠囊彎折處有撕裂現(xiàn)象，螺栓安裝孔處有擴(kuò)孔現(xiàn)象，這些故障現(xiàn)象與本次仿真結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

本文依據(jù)有限元分析原理，利用SolidWorks Simulation軟件分析了CRH380B型動(dòng)車組側(cè)部外風(fēng)擋在工作載荷下的應(yīng)力、位移、應(yīng)變的分布情況，得出以下結(jié)論：

（1）在CRH380B型動(dòng)車組側(cè)部外風(fēng)擋的運(yùn)用檢修中要對(duì)膠囊與安裝框架結(jié)合位置和膠囊彎折位置進(jìn)行重點(diǎn)檢查，檢查其有無撕裂。

（2）在CRH380B型動(dòng)車組側(cè)部外風(fēng)擋的運(yùn)用檢修中要對(duì)外風(fēng)擋安裝螺栓位置進(jìn)行重點(diǎn)檢查，檢查其有無擴(kuò)孔現(xiàn)象[5]。

（3）將有限元分析方法應(yīng)用到動(dòng)車組運(yùn)用檢修中，通過分析動(dòng)車組各個(gè)零部件在工作載荷下的應(yīng)力、位移、應(yīng)變的分布情況，可推斷出該部件在運(yùn)行時(shí)可靠性相對(duì)較低的位置，從而確定其檢修重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效率的動(dòng)車組精檢細(xì)修，確保動(dòng)車組的運(yùn)行安全。