鐵路列車空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度有限元分析

王萌萌， 邢海軍

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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鐵路列車空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度有限元分析

王萌萌， 邢海軍

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

靜強(qiáng)度分析是機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的重要組成部分，而有限元法則是分析機(jī)械結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的重要方法。簡(jiǎn)單介紹了有限元法的概念和基本思想、靜強(qiáng)度分析方法，重點(diǎn)介紹了應(yīng)用ANSYS軟件的命令流方式對(duì)鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分別在6種沖擊載荷工況下對(duì)鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的薄弱位置。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)在6種沖擊載荷工況下的各個(gè)最大應(yīng)力都在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)，滿足靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

靜強(qiáng)度；有限元；ANSYS；鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)

0 引言

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，靜強(qiáng)度分析是必不可少的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算方法工作量大、效率低，基于有限元方法的靜強(qiáng)度分析在逐步取代傳統(tǒng)的計(jì)算方法[1]。利用ANSYS軟件對(duì)鐵路列車的鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，主要因?yàn)殍F路列車空調(diào)機(jī)殼體不同于其他環(huán)境的空調(diào)機(jī)殼體，它需要在滿足特殊環(huán)境的前提下，保證正常運(yùn)行、較高的安全性和可靠性，所以在空調(diào)機(jī)殼體的設(shè)計(jì)階段要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹?qiáng)度分析，確保性能滿足要求。通過對(duì)鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的薄弱位置，驗(yàn)證其是否滿足靜強(qiáng)度要求。通過計(jì)算結(jié)果的分析，對(duì)鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為接下來的實(shí)驗(yàn)研究提供理論上的依據(jù)，具有一定的參考價(jià)值。

1 有限元法

有限元方法是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展才產(chǎn)生和發(fā)展形成的一種求近似值的數(shù)值計(jì)算方法[2]。隨著科技的進(jìn)步，有限元法也隨之不斷發(fā)展，現(xiàn)在有限元方法的應(yīng)用范圍包括固體力學(xué)、流體力學(xué)、熱導(dǎo)學(xué)、電磁學(xué)等各個(gè)工程領(lǐng)域，因此在解決工程問題時(shí)，有限元方法也就成為一種不可或缺的計(jì)算方法。

有限元法的思想就是把所研究的物體離散成為由有限數(shù)量的單元組成的物體，這些有限數(shù)量的單元通過某種方式相互作用在一起，也就把工程問題中的連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化成離散域中的有限自由度問題。以下3點(diǎn)介紹了有限元方法的基本思想[3-4]：

(1)假設(shè)把一個(gè)連續(xù)的系統(tǒng)劃分成為有限數(shù)量的小單元，各個(gè)單元之間在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處按照一定的方式連接，從而形成一個(gè)單元的集合體，用其來模擬實(shí)際的連續(xù)系統(tǒng)，而實(shí)際的外載荷可以通過在節(jié)點(diǎn)上施加邊界條件的方式來替代[5]。

(2)各個(gè)單元依據(jù)分塊近似的有限元思想，遵循相關(guān)力學(xué)關(guān)系以及相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，建立起所求未知量和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系式。

(3)依據(jù)相關(guān)的條件，把連續(xù)系統(tǒng)中的全部單元特性關(guān)系綜合起來，再施加邊界條件，得到一組以節(jié)點(diǎn)變量，如溫度、應(yīng)力、位移等變量，為未知量的代數(shù)方程組，然后求解出有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)位置的未知變量[6]。

2 靜強(qiáng)度分析

靜強(qiáng)度分析是研究結(jié)構(gòu)在常溫條件下所能承受的載荷，通常包括校核結(jié)構(gòu)的承載能力和抵抗變形能力是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求[7-8]，計(jì)算和分析結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的應(yīng)力分布和變形情況，為接下來的動(dòng)力學(xué)分析和其他方面的分析提供數(shù)據(jù)參考。

3 鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析

3.1 鋁合金空調(diào)機(jī)殼體材料介紹

鋁合金空調(diào)機(jī)殼體薄板的基本材料是鋁合金5083(H111)。

沖擊載荷許用強(qiáng)度[9]：抗拉極限強(qiáng)度σb=275 MPa；抗拉屈服強(qiáng)度σs=165 MPa；抗剪屈服強(qiáng)度τs=145 MPa；泊松比為0.33；密度為2 700 kg/m3。

3.2 建立鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的有限元模型

選用Shell63單元利用命令流的方式建立鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的有限元模型。如圖1所示，每一種顏色表示一種厚度，1號(hào)代表深紅色，表示板厚是1 mm；2號(hào)代表藍(lán)色，表示板厚是2 mm；3號(hào)代表藍(lán)綠色，表示板厚是3 mm；4號(hào)代表紅色，表示板厚是5 mm；5號(hào)代表黃色，表示板厚是10 mm；6號(hào)代表黃色，表示板厚是1.5 mm。

3.3 添加集中質(zhì)量

鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的各個(gè)空調(diào)組件設(shè)備在有限元時(shí)選用集中質(zhì)量MASS21單元。添加集中質(zhì)量時(shí)，首先在質(zhì)量重心的位置建立節(jié)點(diǎn)，接下來定義質(zhì)量單元，然后創(chuàng)建剛性區(qū)域，最后把集中質(zhì)量和所安裝的板材剛性的連接起來。圖2展示了在球坐標(biāo)系下的鋁合金空調(diào)機(jī)殼體有限元模型，在進(jìn)行有限元分析和后處理時(shí)都會(huì)用到此模型，坐標(biāo)x方向代表箱體的移動(dòng)方向,坐標(biāo)y方向代表水平方向，坐標(biāo)z方向代表垂直方向。

圖1 鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)模型

3.4 施加荷載

在對(duì)鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的靜強(qiáng)度分析時(shí)，首先根據(jù)石家莊國(guó)祥運(yùn)輸設(shè)備有限公司提供的具體標(biāo)準(zhǔn)071-SSR-02-DE-0001:HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分對(duì)殼體結(jié)構(gòu)施加載荷，沖擊載荷以加速度的形式施加在鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的有限元模型上。鋁合金空調(diào)機(jī)殼體通過8個(gè)M10螺栓連接在車體上，每個(gè)螺栓處以4個(gè)節(jié)點(diǎn)模擬，將4個(gè)節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度全部約束。慣性力的方向和沖擊載荷加速度的方向相反[10]，沖擊載荷的加速度方向見表1，共6種載荷工況。其中x方向?yàn)橄潴w的移動(dòng)方向，y方向?yàn)樗椒较颍瑉方向?yàn)榇怪狈较颉?/p>

表1 靜強(qiáng)度沖擊載荷工況[10] g=9.81 m/s2

3.5 鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析

對(duì)鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊載荷靜強(qiáng)度分析時(shí)，采用Principal stress應(yīng)力云圖，主應(yīng)力值選取每個(gè)單元幾何中心頂面與底面兩值中的絕對(duì)值最大的值。

在沖擊載荷工況1下的最大主應(yīng)力位置見圖3所示，最大主應(yīng)力值是205 MPa。比較第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的大小，選取其中的較大值作為最大主應(yīng)力值，以下5種工況均如此。在沖擊載荷工況2下，主應(yīng)力云圖與沖擊載荷工況1相同。

圖3 鋁合金空調(diào)機(jī)殼體沖擊工況1的主應(yīng)力云圖

在沖擊載荷工況3下的最大主應(yīng)力位置見圖4所示，最大主應(yīng)力值是77.4 MPa。在沖擊載荷工況4下，主應(yīng)力云圖與沖擊載荷工況3相同。

圖4 鋁合金空調(diào)機(jī)殼體沖擊工況3的主應(yīng)力云圖

在沖擊載荷工況5下的最大主應(yīng)力位置見圖5所示，最大主應(yīng)力值是167 MPa。

圖5 鋁合金空調(diào)機(jī)殼體沖擊工況5的主應(yīng)力云圖

在沖擊載荷工況6下的最大主應(yīng)力位置見圖6所示，最大主應(yīng)力值是55.5 MPa。

圖6 鋁合金空調(diào)機(jī)殼體沖擊工況6的主應(yīng)力云圖

3.6 沖擊載荷工況總結(jié)和結(jié)果分析

沖擊載荷6種工況下的強(qiáng)度校核見表2所示，薄板的抗拉極限強(qiáng)度是275 MPa。

表2 沖擊載荷6種工況下薄板的強(qiáng)度校核總結(jié)

安全系數(shù)計(jì)算公式：nb=σb/σ，其中，nb為安全系數(shù)；σb為抗拉極限強(qiáng)度；σ為計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)在6種沖擊載荷工況下的各個(gè)最大應(yīng)力都在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)，滿足靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

按照國(guó)外相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求對(duì)鋁合金空調(diào)機(jī)殼體的有限元模型施加了6種慣性沖擊載荷，從各沖擊載荷工況下的應(yīng)力云圖中可找出最大應(yīng)力位置，即薄弱位置。結(jié)果表明，6種沖擊載荷工況下結(jié)構(gòu)均滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，保證了鋁合金空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的安全性。

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Static Strength Finite Element Analysis of Train Air-conditioner Housing Structure

Wang Mengmeng， Xing Haijun

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Static strength analysis is an important part in the mechanical design process, and finite element method is an important method for static strength analysis of mechanical structures. The concept of finite element method, the basic idea of finite element method and static strength analysis are introduced. Command stream is used to build the FEA model of aluminum alloy air-conditioner housing structure. Six impact loads of the FEA model are analyzed in static strength analysis to find the weak positions of the aluminum alloy air-conditioner housing structure. The calculation results meet the requirements in six impact loads of the FEA model.

static strength; finite element; ANSYS; aluminum alloy air-conditioner housing structure

2015-03-29 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.17

王萌萌(1988-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。E-mall：965343337@qq.com

U269.32+3

A

2095-0373(2016)02-0088-05

王萌萌，邢海軍.鐵路列車空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度有限元分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(2):88-92.