动车组设备舱结构有限元分析及优化_程建峰.pdfVIP

动车组技术 动车组设备舱结构有限元分析及优化 ■　程建峰  林建军 摘 要：采用有限元方法分析动车组设备舱结构在典型受载条件下的静强度，揭示典型动车组 设备舱结构的薄弱部位；对比裙板弯钩过渡段加筋式与加厚式优化方案应力分布，提出提升 裙板结构强度的更优设计形式；对比骨架结构腹板增厚前后应力分布特征，提出设备舱骨架 结构改进方案；评定优化后设备舱结构静强度结果，为动车组设备舱结构分析与设计提供参 考。 关键词：动车组；设备舱；裙板；强度分布；有限元 中图分类号：U268.5           文献标识码：B          文章编号：1672-061X（2014）04-0011-04 动车组设备舱结构是安装于车下部位用以减小列车运 设备舱为一节一节循环相扣的节式连接结构，且每节 行时的空气阻力、加强对车下悬挂装置的保护的专用车体部 结构的几何构型基本一致，因此选取跨度最大的单节设备 件。由于动车组运行线路复杂多样，车下环境恶劣多变，设 舱进行有限元建模，选用SHELL181单元进行网格离散，该 备舱必须具有较好的结构特性才能满足其高速运行时的强度 模型共有79 393个节点，90 732个单元，离散模型见图2。 要求，保证车下设备的正常功用。目前针对设备舱的研究工 作主要着眼于其系统与组成部件的设计[1-4]，采用通用有限 元分析软件[5-6]，建立设备舱裙板及骨架数值仿真模型， 开展相应的强度分析与结构优化工作。 （a） （b） 1 设备舱结构特点及有限元建模 设备舱整体构造见图1（a），主要由裙板、底板、 骨架和端板4部分组成，整体为箱形全封闭结构，采用框 架式骨架承载。依据其功用的不同，设备舱裙板又分为 排风、进风、滑窗、全密封4类。排风裙板设有排风窗口 （c） （d） （见图1（b）），进风裙板设有滤网和迷宫结构，滑窗裙 图1 设备舱结构几何模型 板主要用于水箱添水。裙板呈弧状分布于设备舱两侧，底 部经弧形挂钩连接于骨架边梁，上端通过螺栓固定于车体 边梁，以便于安装和检修，其几何断面见图1（c）。其骨 架（见图1（d））包括骨架边梁、中部骨架、骨架立柱、 端部盖板托架等部件，经其将各节舱体连接成连贯的整 体。骨架边梁分布于设备舱两侧，与裙板相连接，中部骨 架横向放置，分隔开车底设备。骨架立柱为工字形截面， 顶端吊挂于车体底架边梁。底板由铝合金型材构成，分段 以滑槽方式嵌套于中部骨架中。 图2 带滑窗裙板的单节设备舱离散模型 2014年第4期 11 动车组技术 设备舱所用材料为A6N01S铝型材，密度2.53× 10-6 3  kg/mm ，弹性模量68 GPa，泊松比0.3，屈服极限 230 MPa。在建模过程中，对设备舱裙板和骨架立柱上螺 栓安装处的节点进行完全约束。 2 设备舱强度分析方法及结果 2.1 工况分析 [7] 基于EN 12663 铁道车辆结构要求，对设备舱结构 依表1所示载荷工况进行静强度计算，考核结构的应力分 布。按安全系数1.6考虑，其许用应力为143  MPa。 （a）骨架 2.2 评价标准 根据EN 12663规范要求，在各工况对应的受载条件 下，设备舱结构内部的Von Mises应力应满足许用应力评 定的要求。 2.3 仿真结果 对比各载荷工况可以发现，垂向动载荷为静载荷的 1.5倍，两种气动载荷形式相似，因而此部分研究仅选取 II、III、IV三处典型工况进行加载，各工况等效应力极值 及其出现的位置见