機(jī)車前置式空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)有限元分析

秦保柏，王立鋒

（石家莊國祥運(yùn)輸設(shè)備有限公司，河北石家莊050035）

空調(diào)機(jī)組是鐵路機(jī)車車輛必備的設(shè)備之一，鐵路機(jī)車車輛的空調(diào)機(jī)組由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)等機(jī)電設(shè)備組成。一般情況下，這些設(shè)備集成安裝在一箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)，箱體結(jié)構(gòu)再通過螺栓連接安裝在車體上。機(jī)車空調(diào)機(jī)組要求箱體結(jié)構(gòu)要在滿足強(qiáng)度、疲勞壽命的條件下盡量減輕自重。機(jī)車車輛空調(diào)機(jī)組箱體結(jié)構(gòu)一般由多塊沖壓、折邊的不銹鋼板點(diǎn)焊形成，國內(nèi)空調(diào)機(jī)組的生產(chǎn)廠家多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計、制造箱體結(jié)構(gòu)，由于不進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)分析，難免會有強(qiáng)度富裕、自重較大的問題，不適合在機(jī)車上使用。

運(yùn)用ANSYS軟件對石家莊國祥運(yùn)輸設(shè)備有限公司生產(chǎn)用于國外機(jī)車的前置式空調(diào)機(jī)組的箱體結(jié)構(gòu)建立了有限元模型，對箱體結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的應(yīng)力、疲勞載荷作用下的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析與評價，并分析了空調(diào)機(jī)組的動態(tài)特性，計算了空調(diào)機(jī)組的固有頻率及振型，為前置式空調(diào)機(jī)組的設(shè)計提供了參照。

1 前置式空調(diào)機(jī)組有限元模型

空調(diào)機(jī)組主要由箱體結(jié)構(gòu)、支架及安裝于箱體結(jié)構(gòu)的機(jī)電設(shè)備組成（見圖1和圖2），箱體由1．5，2 mm不銹鋼板經(jīng)沖壓折邊點(diǎn)焊形成，支架由2，3，4 mm不銹鋼板折邊點(diǎn)焊形成，壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、送風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、控制箱等機(jī)電設(shè)備通過螺栓連接安裝在箱體的相關(guān)位置。箱體通過前后擋塊及滑軌安裝在支架上，拆除擋塊，箱體可以沿滑軌抽出以利于維修。正常使用時，擋塊限制箱體沿滑軌方向的運(yùn)動，保證箱體、滑軌及支架為一整體，三者之間無相對運(yùn)動。支架通過8個M12的螺栓連接在車體上?？照{(diào)機(jī)組的外形尺寸見圖1。

圖1和圖2為根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)用ANSYS軟件建立的有限元模型，該模型由26 664節(jié)點(diǎn)，23 819個單元組成，模型的建立、結(jié)構(gòu)的連接及邊界條件采用了以下處理方法：

（1）壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、電加熱器及控制箱等機(jī)電設(shè)備均采用MASS21質(zhì)量單元將其簡化為質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)位置建立在設(shè)備的質(zhì)心處，并將質(zhì)點(diǎn)與箱體的連接處理成剛性連接。

（2）箱體結(jié)構(gòu)及支架結(jié)構(gòu)為薄板，建模時采用SHELL63殼單元建立網(wǎng)格，根據(jù)文獻(xiàn)［3］的要求，SHELL63殼單元采用四邊形結(jié)構(gòu)，邊長約20 mm。

（3）箱體結(jié)構(gòu)、支架結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)焊連接采用共節(jié)點(diǎn)方式處理，即點(diǎn)焊處的兩鋼板僅在此節(jié)點(diǎn)相連。

擋塊、滑軌與箱體的連接采用節(jié)點(diǎn)耦合方式實(shí)現(xiàn)，滑軌與箱體之間的連接節(jié)點(diǎn)采用垂向（Z軸方向）耦合與橫向（Y軸方向）耦合，擋塊與箱體采用縱向耦合（X軸方向）。圖1中，X軸正向?yàn)檐囕v的行駛方向，Y軸位于水平面內(nèi)，Z軸正向垂直向上［2］。

（4）支架與車體的螺栓連接，通過限制每一螺栓位置4節(jié)點(diǎn)3個方向的自由度實(shí)現(xiàn)約束。

圖1 空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)整體模型

圖2 空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)內(nèi)部有限元模型

2 前置式空調(diào)機(jī)組的作用載荷

2．1 作用載荷

作用在前置式空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)的載荷就是機(jī)車起動、制動及正常行駛時，結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量及安裝在箱體的機(jī)電設(shè)備的慣性力，由機(jī)車起動、制動及正常行駛時的加速度確定，靜強(qiáng)度計算時各坐標(biāo)軸所施加的沖擊加速度見表1，共6種載荷工況，疲勞計算時各坐標(biāo)軸所施加的加速度見表2，共3種載荷情況。

表1 靜強(qiáng)度計算載荷［1］

表2 疲勞強(qiáng)度計算載荷［1］

其中，x軸為縱向，y軸為橫向，z軸為垂向?？v向、橫向、垂向是指空調(diào)機(jī)組安裝在車體上時與機(jī)車車輛的縱向、橫向和垂向分別相同的方向。

2．2 空調(diào)機(jī)組質(zhì)量分布

（1）空調(diào)機(jī)組箱體及蓋板質(zhì)量為91．5 kg

（2）空調(diào)機(jī)組箱體內(nèi)機(jī)電設(shè)備的質(zhì)量見表3

表3 疲勞強(qiáng)度計算載荷

（3）支架的質(zhì)量為45 kg空調(diào)機(jī)組總質(zhì)量為225 kg。

3 計算結(jié)果

3．1 材料與許用應(yīng)力

箱體結(jié)構(gòu)采用SUS304，其材料的特性如下

（1）屈服強(qiáng)度：σs＝205 MPa

（2）抗拉強(qiáng)度：σb＝520 MPa

（3）密度：7 800 kg／m3

（5）彈性模量：E＝1．93×105MPa

（6）泊松比：μ＝0．3

（7）容許應(yīng)力幅：［Sr］＝29 MPa（對應(yīng)于107循環(huán)次數(shù)［3］）

3．2 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)［1］要求，計算各單元質(zhì)心處鋼板頂面與底面的最大等效應(yīng)力，后處理階段使用get命令得到單元質(zhì)心的整體坐標(biāo)，然后根據(jù)質(zhì)心的整體坐標(biāo)通過路徑操作計算單元質(zhì)心應(yīng)力，所有單元質(zhì)心處的應(yīng)力用循環(huán)語句計算存于數(shù)組中，最后得到最大應(yīng)力值［4］。初步計算結(jié)果表明載荷工況2，3，4略大于許用應(yīng)力，載荷工況2的最大應(yīng)力出現(xiàn)在壓縮機(jī)與壓縮腔的螺栓連接處，載荷工況3、4的最大應(yīng)力出現(xiàn)在蒸發(fā)器與蒸發(fā)腔的螺栓連接處，因此需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3．2．1 改進(jìn)前的分析結(jié)果

按照表1確定的載荷工況，在ANSYS中用命令流定義多重負(fù)載，一次完成運(yùn)算，各載荷工況的最終運(yùn)算結(jié)果列于表4。其中載荷工況2的最大應(yīng)力為183 MPa，載荷工況3，4的最大應(yīng)力為180 MPa。圖3、圖4為這兩種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。

表4 靜強(qiáng)度計算結(jié)果 MPa

圖3 改進(jìn)前載荷工況2節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

3．2．2 改進(jìn)后的分析結(jié)果

對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，壓縮機(jī)腔底部加強(qiáng)槽鋼板厚由原來的1．5 mm增加到2 mm，蒸發(fā)器與蒸發(fā)腔連接處的墊片板厚由原來的3 mm增加到4 mm。

再按照表1確定的載荷工況進(jìn)行計算，各載荷工況的最終運(yùn)算結(jié)果列于表5，其中載荷工況2的最大應(yīng)力為176 MPa，載荷工況3的最大應(yīng)力為175 MPa，靜強(qiáng)度計算結(jié)果皆小于許用應(yīng)力，且強(qiáng)度富裕量不大，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。圖5、圖6為這兩種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。

表5 靜強(qiáng)度計算結(jié)果 MPa

計算結(jié)果表明，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變后滿足了強(qiáng)度要求，綜合考慮到在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度條件的情況下，應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)的自重，不宜再添加組件或增加板厚來減少應(yīng)力。

圖5 改進(jìn)后載荷工況2節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

圖6 改進(jìn)后載荷工況3節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

3．3 疲勞強(qiáng)度分析

疲勞強(qiáng)度計算采用文獻(xiàn)［1］～［3］要求，分別在3個坐標(biāo)軸方向上施加表2所示載荷時，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)要達(dá)到107次不產(chǎn)生疲勞破壞。空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)各鈑金件的連接采用點(diǎn)焊，根據(jù)文獻(xiàn)［3］的分類，其連接類別可歸于G，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107次時，許用應(yīng)力幅為Sr＝29 MPa。3種載荷情況下的應(yīng)力幅按如下方法計算：

（1）用路徑操作計算距點(diǎn)焊處焊角5 mm處的3個主應(yīng)力［3］。

（2）表2載荷工況1作用下的應(yīng)力幅為：

其中Str為計算位置頂面的應(yīng)力幅，Sbr為計算位置底面的應(yīng)力幅。

其中Str1為ax＝0．2g時計算位置頂面第1主應(yīng)力；Str2為ax＝－0．2g時計算位置頂面第3主應(yīng)力；S′tr1為ax＝－0．2g時計算位置頂面第1主應(yīng)力；S′tr2為ax＝0．2g時計算位置頂面第3主應(yīng)力。

其中Sbr1為ax＝0．2g時計算位置底面第1主應(yīng)力；Sbr2為ax＝－0．2g時計算位置底面第3主應(yīng)力；S′br1為ax＝－0．2g時計算位置底面第1主應(yīng)力；S′br2為ax＝0．2g時計算位置底面第3主應(yīng)力；ax為x方向的加速度。

（3）載荷工況2作用下的應(yīng)力幅與載荷工況2作用下應(yīng)力幅計算方法相同。

（4）載荷工況3作用下的應(yīng)力幅計算

其中Str1為az時計算位置頂面第1主應(yīng)力；Str2為az時計算位置頂面第1主應(yīng)力；Sbr1為az＝1．2g時計算位置底面第1主應(yīng)力；Sbr2為az＝1．2g時計算位置底面第1主應(yīng)力。az為z方向的加速度。

表6 疲勞計算結(jié)果 MPa

表6為根據(jù)表2中3種載荷工況計算得到的應(yīng)力幅，其中載荷工況3作用時應(yīng)力幅最大為28 MPa，小于許用應(yīng)力幅，疲勞計算滿足使用要求。

4 動態(tài)特性分析

運(yùn)用ANSYS軟件中的模態(tài)分析模塊，對前置式空調(diào)機(jī)組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到的前5階固有頻率見表7，為避免產(chǎn)生共振提供了參考。前5階的振型見圖7，由圖7可知，第1階振型為整體結(jié)構(gòu)沿橫向（Y軸方向）的擺動，最大位移位于箱體的后端；第2階振型為整體結(jié)構(gòu)垂向（Z軸方向）的彎曲振動，最大位移位于箱體后端底部中間位置；第3階振型仍為整體結(jié)構(gòu)沿縱向（X軸方向）的振動，包含安裝蒸發(fā)器的蒸發(fā)腔前端板局部振動模態(tài)，而且局部模態(tài)處的振幅最大；第4階振型為整體結(jié)構(gòu)沿垂向（Z軸方向）的振動，最大位移位于箱體的后端；第5階振型為安裝蒸發(fā)器的蒸發(fā)腔前端板縱向（X軸方向）的振動，最大位移在前端板的中間位置。

表7 前5階固有頻率

圖7 前5階振型圖

5 結(jié)束語

建立了前置式空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)的有限元模型，按照規(guī)范要求對計算結(jié)果進(jìn)行后處理得到了結(jié)構(gòu)相關(guān)位置的計算應(yīng)力，根據(jù)計算結(jié)果對靜強(qiáng)度超限的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度及疲勞壽命要求，最后對前置式空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，計算了結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞強(qiáng)度校核提供了理論依據(jù)。計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、自重較輕；并且該機(jī)組已經(jīng)裝車運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)不良。本方法對類似的設(shè)計與計算有一定的參考價值。

［1］PH－934－9006－1－Structural Mechanics［S］．

［2］EN 12663，2000 Railway applications－Structural requirements of railway vehicle bodies［S］．

［3］British Standards Institution．BS 7608，1993 Fatigue design and assessment of steel structures．British Standards Institution［S］．

［4］陳精一，蔡國中．電腦輔助工程分析ANSYS使用指南［M］．北京：中國鐵道出版社，2001．