動車組風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)強度與疲勞的仿真分析

何佳捷，仲崇成，鞠增業(yè)，徐忠宣，徐春艷

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著動車組設(shè)計速度的不斷提高，列車安全、舒適性能要求不斷提升，特別是在多隧道、高原、沙漠、高溫、高寒及高海拔等復(fù)雜多變的服役環(huán)境時，動車組列車車下吊掛設(shè)備將承受更加復(fù)雜、惡劣的載荷條件，設(shè)備的振動、沖擊、疲勞等技術(shù)挑戰(zhàn)愈發(fā)凸顯，容易導(dǎo)致吊掛設(shè)備局部出現(xiàn)振動疲勞裂紋。

1 概述

動車組頭、尾車各安裝一個風(fēng)缸，風(fēng)缸通過3根過渡梁安裝于車體橫梁間，部件之間的連接采用6個M12螺栓（符合標準GB5783，材料為A2—70）加HARD—LOCK螺母。每根過渡梁均通過兩個托座安裝在兩個車體橫梁之間。每個托座采用4個Φ10的HUCK不銹鋼鉚釘鉚接在車體橫梁上，過渡梁與托座間采用2個M12螺栓加HARD—LOCK螺母方式進行防松固定。如圖1所示。

單個風(fēng)缸的重量約為36kg。除車體橫梁采用鋁合金材料外，其余所有材料均采用06Cr19Ni10材料。

圖1 風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2 風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)風(fēng)缸的吊掛位置，本文規(guī)定平行行車方向為縱向（X向），橫向垂直行車方向為橫向（Y向），上下垂直行車方向為垂向（Z向）。采用Hypermesh軟件對風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)進行幾何處理及劃分網(wǎng)格，使用ABAQUS軟件進行仿真計算與結(jié)果后處理。

風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)屬于彈性薄殼結(jié)構(gòu)，所以有限元模型采用Shell單元；對主要考察的過渡梁、托座等結(jié)構(gòu)，其單元尺寸最大為5mm，局部有所細化；對風(fēng)缸、車體橫梁等結(jié)構(gòu)，其單元尺寸最大為20mm，連接部位有所細化。以Beam單元模擬鉚釘、螺栓結(jié)構(gòu)，以連續(xù)分布耦合約束模擬鉚釘連接以及螺栓連接。整個模型包括33195個單元和34845個節(jié)點。

3 載荷工況及邊界條件

3.1 沖擊工況

根據(jù)IEC 61373：2010標準中I類A級的要求，沖擊的加速度理想化為標準半波正弦，沖擊加速度的最大值分別為30m/s2和50m/s2。根據(jù)標準要求，分別計算結(jié)構(gòu)沿縱向前后方向、橫向左右方向和垂向上下方向6個方向的沖擊強度。

3.2 疲勞工況

根據(jù)BS EN 12663—1：2010《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機車和客運車輛》，制定結(jié)構(gòu)的疲勞強度計算工況，縱向±0.15g、橫向±0.15g、垂向±0.15g，此外各工況均對整體結(jié)構(gòu)施加1g重力加速度。

3.3 模態(tài)計算

計算風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)的模態(tài)，給出頻率與振型計算結(jié)果。

3.4 載荷施加與邊界條件

（1）沖擊工況，以縱向沖擊計算工況為例，在橫梁與車體連接部位施加X、Y、Z三向約束，其中Y、Z約束為零位移約束，X約束為加速度約束，沖擊的加速度理想化為標準半波正弦，最大值為50m/s2。

（2）疲勞工況，在橫梁與車體連接部位施加X、Y、Z三向零位移約束，對模型整體施加加速度載荷。

3.5 評定標準

對于沖擊工況，采用第四強度理論對結(jié)構(gòu)進行評價，車體在各工況下的最大Mises應(yīng)力應(yīng)小于材料的屈服極限。

對于疲勞工況，計算結(jié)構(gòu)在各個工況主應(yīng)力的最大值σmax，然后計算所有工況主應(yīng)力在該方向上投影的最小值σmin，由此計算平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅值σa。

繪制Goodman疲勞極限圖，結(jié)構(gòu)各單元的（σm，σa）均應(yīng)位于材料的疲勞包絡(luò)線以內(nèi)，結(jié)構(gòu)滿足疲勞要求。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 沖擊工況計算結(jié)果

各沖擊工況下，風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力為189.5MPa，應(yīng)力云圖分布如圖2所示，發(fā)生在垂向沖擊工況下，過渡梁與風(fēng)缸螺栓連接部位，最大Mises應(yīng)力未超過過渡梁材料的屈服強度。

圖2 最大Mises應(yīng)力云圖分布

4.2 疲勞工況計算結(jié)果

風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)各工況下的最大主應(yīng)力的最大值為20.398MPa，其應(yīng)力云圖分布如圖3所示；母材最大應(yīng)力幅值為10.13MPa，焊縫最大應(yīng)力幅值為5.562MPa。

圖3 疲勞工況2最大主應(yīng)力云圖分布

風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)在疲勞工況下，各評估點均在疲勞包絡(luò)線內(nèi)，Goodman疲勞極限圖如圖4所示。

圖4 過渡梁與托座疲勞極限圖

4.3 模態(tài)計算結(jié)果

風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)的一階頻率為24.018Hz，振型如圖5所示，遠大于車體一階固有頻率。

圖5 一階振型（24.018Hz）

5 結(jié)語

使用ABAQUS有限元軟件對動車組風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)進行沖擊強度與疲勞強度有限元仿真計算，沖擊強度按照IEC 61373—2010中的I類A級要求，疲勞強度參照BS EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求第1部分：機車和客運車輛》。各沖擊工況下，風(fēng)缸安裝結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力為189.5MPa，未超過材料的屈服強度；過渡梁和托座未超過非打磨焊縫的疲勞極限，符合軌道車輛的安全需求，仿真分析方法對其他車下吊掛設(shè)備強度分析具有一定的參考的作用。