CRH3 型動車鋁合金車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

□邢清桂 黃金鳳

一、CRH3 型動車組中間車車體有限元計算模型

(一)車體幾何模型。進(jìn)行有限元分析建模時，要考慮車體實際結(jié)構(gòu)特點。整個車體基本采用鋁合金中空擠壓型材(枕梁、牽引梁除外)焊接而成，在建模時，應(yīng)把車體幾何實體全部簡化為面，利于有限單元的劃分。

圖1 底架的有限元網(wǎng)格圖

圖2 1/2 結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格

(二)車體有限元模型。根據(jù)CRH3 型動車組車體的實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析建模，為了盡量反映車體實際情況，建模時應(yīng)遵循“求真”原則。因鋁合金型材拼搭焊接處的剛度較大，采用剛度等效原理，倒推出搭接處等效厚度。

本文兩個計算模型方案確立如下:空車的三點支撐工況及扭轉(zhuǎn)工況采用整體結(jié)構(gòu)、其他工況采用1/2 結(jié)構(gòu)。為了保證所建模型盡可能貼近實際情況，重要的零部件以質(zhì)量單元形式加載到實際安裝基點上，其他載荷也以節(jié)點、線及面載荷加載到實際位置上。建模后，形成單元總數(shù)為239 600 個、節(jié)點總數(shù)為182326 個的整體結(jié)構(gòu)的計算模型。形成單元總數(shù)為119852 個，節(jié)點總數(shù)為93080 個的1/2 結(jié)構(gòu)的計算模型。圖1 為部分底架的有限元網(wǎng)格，圖2 為1/2 結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格。

(三)計算負(fù)荷及結(jié)果分析。在正常運行時，車體主要受到運行方向拉伸載荷、垂直方向靜載荷、300kN 的縱向壓縮載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、三點支承空車載荷Fzc、只是一端連同轉(zhuǎn)向架頂起時的載荷Fcz 及合成載荷。在以上載荷作用下，車體剛度分析如下:

1.垂直方向彎曲剛度。在加載垂直方向靜載荷情況下，側(cè)墻下方側(cè)梁最大撓度為fc=8.4mm。將fc代入相應(yīng)彎曲剛度計算公式:

所以垂直方向彎曲剛度滿足設(shè)計要求。

2.扭轉(zhuǎn)剛度。在加載Mk=40kN·m 的扭轉(zhuǎn)載荷下，測量得到4 個支承點在垂直方向各自距離變化后，計算相對扭轉(zhuǎn)角:φ

所以相當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度也滿足要求。

3.強度。合成載荷一、二、三分別給出了該車車體最大的應(yīng)力，它們分別是:合成載荷一:237MPa，發(fā)生在牽引梁拐角處的圓孔邊緣，小于它的許用應(yīng)力290 MPa。合成載荷二:261MPa，發(fā)生在牽引梁拐角處圓孔邊緣，小于它的許用應(yīng)力290 MPa。合成載荷三:194MPa，發(fā)生在枕梁長條形孔邊緣，小于它的許用應(yīng)力290 MPa。

綜上所述，車體強度滿足設(shè)計要求。因為牽引梁及枕梁焊縫處應(yīng)力較高，設(shè)計時應(yīng)予以相應(yīng)處理。

二、CRH3 型動車組中間車車體側(cè)墻的優(yōu)化設(shè)計

(一)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)的確立。本文選取門角所屬的六塊板材和側(cè)墻斜筋作為優(yōu)化對象，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，車體對各個部位板材厚度是有標(biāo)準(zhǔn)的，優(yōu)化的最大值不超過0.5mm。優(yōu)化前參數(shù)如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)值(單位:mm)

(二)優(yōu)化工況的確立。實際運行過程中，出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位及峰值與載荷的大小、位置變化有直接關(guān)系。為了保證優(yōu)化效果，選取車體在最大負(fù)載工況下車鉤緩沖位置加載1，500kN 的豎直方向壓縮載荷。經(jīng)仿真計算，大部分位置的應(yīng)力值較高，并有3 處應(yīng)力的峰值超過了材料許用應(yīng)力。

(三)優(yōu)化結(jié)果的分析。在保證車輛強度的前提下，盡量減小車體重量是優(yōu)化設(shè)計工作的目標(biāo)之一。所以，將保證車體結(jié)構(gòu)的強度和最大應(yīng)力在許用應(yīng)力之下作為約束條件，車體整體重量作為目標(biāo)函數(shù)。經(jīng)計算，優(yōu)化后結(jié)果如表1 所示。經(jīng)優(yōu)化，車體不同位置的板厚發(fā)生了變化，車體質(zhì)量減輕了227.77Kg，優(yōu)化效果明顯。

(四)優(yōu)化后車體強度校核。車體在最大負(fù)載工況下，在遠(yuǎn)離端墻處下門角內(nèi)側(cè)、上門角內(nèi)側(cè)兩個采用優(yōu)化設(shè)計位置的局部應(yīng)力都有所減小，應(yīng)力值分別從以前的229.497MPa和126.497MPa 降低到141.545MPa 和114.725MPa，都降低到材料許用應(yīng)力以下。

三、結(jié)語

本文運用有限元分析方法和機械設(shè)計優(yōu)化理論，根據(jù)CRH3 型動車組中間車車體的運行情況，對中間車車體結(jié)構(gòu)作了強度、剛度的校核、分析，并對車體局部應(yīng)力集中現(xiàn)象作了適當(dāng)優(yōu)化，取得了一些具有實用價值的結(jié)果。本文將中間車車體作為一個整體對象進(jìn)行研究，沒有對鋁合金焊縫對有限元分析結(jié)果及仿真結(jié)果的影響進(jìn)行考慮。所以，優(yōu)化結(jié)果還有一定的提升空間。

［1］張洪才.ANSYS14.0 理論解析與工程應(yīng)用實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2013

［2］孫幫成.CRH380L 型動車組［M］.北京:中國鐵道出版社，2014

［3］洪清泉.OptiStruct＆HyperStudy 理論基礎(chǔ)與工 程應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2013