動車組行李架結構設計優化與仿真分析

覃森

摘 要：文章通過對動車組行李架結構有限元計算分析，優化設計了動車組行李架。對各種結構及材料下行李架的應力及位移結果進行了比較，提出了行李架的優化方案。討論了行李架中螺栓的選用，并把仿真計算與試驗結果進行了對比，計算結果與試驗結果相一致。

關鍵詞：動車組行李架；優化方案；螺栓選擇；有限元計算

中圖分類號：TU43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）11-0094-02

動車組行李架作為動車內裝的重要組成部分，分為三個主要部分：端部托架、型材框架和隔板，它們的鏈接方式有插接、螺釘連接等連接方式。具有強度高、防潮、防火、抗風壓、抗地震、壽命長及加工安裝方便等優點。

隔板主要有玻璃隔板和PC隔板兩種，玻璃隔板剛度大，內部結構穩定，受力后變形量小。但玻璃的二次加工性能差，鋼化后無法進行二次加工，且玻璃的尖角沖擊和自爆是無法避免的。

PC板密度小，質量輕，加工性、可塑性好，受力變形后易恢復。但其硬度低，剛度小，使用時易出現劃痕。在受力狀態下，產品的變形較大，對結構的要求高。因此，合理選擇材料和結構的合理設計非常重要。

對于行李架的設計，兩個托架間的跨距非常重要，當跨距在1 m左右時對設計要求不高，容易達到設計要求。但動車組行李架一般跨距在2 m左右，因此，對其結構的設計尤為重要，特別是要考慮行李架在中部的變形。其次，應該選擇合適的螺栓以滿足靜態強度及疲勞要求。

1 有限元模型及邊界條件

有限元法是結構分析的一種數值計算方法，是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的應用和發展。在進行結構強度計算過程中，有限元的計算可歸結為三大方程的聯合統一，平衡方程、幾何方程和物理方程—彈性本構關系，靜力有限元平衡方程，其形式為：

由于行李架部件多，建模工作量大，需對模型進行簡化以減少計算量。因此計算模型中忽略了較小的圓角、倒角等細節，忽略這些元素不會對所關心的計算結果產生影響，但可以大大減小計算量，提高工作效率。模型中端部托架采用的是六面實體單元，其余部件采用殼單元劃分。整個模型的單元數和節點數分別約為10萬，11萬。離散后的行李架結構有限元模型如圖1所示，模型的邊界條件如圖2所示，在托架端部和車體的連接部位采用全約束。

2 計算載荷

根據標準：計算載荷工況考慮變形最大的一種工況：

行李架均布載荷1 000 N/m，前型材中部850 kg集中力+模型自重。

3 動車組行李架結構強度評定標準

根據DINEN 12663《鐵道車輛車體結構要求》規定，動車組行李架結構應在各個工況的載荷綜合作用下，材料的許用應力與計算等效應力之比應不小于DINEN 12663第3.4.2節中規定的安全系數S（若材料許用應力值取其屈服應力值進行校核，則S1為1.15，若材料許用應力值取其抗拉強度進行校核，則S2為1.5）。即：

4 計算結果

4.1 位移結果

型材和托架為鋁合金，隔板分別為鋼化玻璃和PC板的位移云圖如圖3、圖4所示，從位移云圖上可以看到：鋼化玻璃的位移為15.21 mm，PC板的位移為15.99 mm。

型材和托架為鎂合金，隔板分別為鋼化玻璃和PC板的位移云圖如圖5、圖6所示，從位移云圖上可以看到：鋼化玻璃的位移為23 mm，PC板的位移為24.15 mm。

型材和托架為鋁合金，隔板分別為鋼化玻璃和PC板的位移云圖如圖7、圖8所示，與圖3和圖4不同的是，前型材的抗彎截面系數變小了。從位移云圖上可以看到：鋼化玻璃的位移為40.41 mm，PC板的位移為69.27 mm。

從以上分析可知，在相同載荷條件下，PC隔板的位移比鋼化玻璃要大，鎂合金的位移比鋁合金位移更大。需要特別指出的是，前后型材的抗彎截面系數直接決定行李架的位移量，特別是前型材的抗彎截面系數的影響最為明顯。

4.2 最大等效應力結果

通過計算得到每個主要部件的應力云圖分布及最大等效力，現僅列出關鍵部件的最大應力云圖分布，型材和托架為鋁合金、隔板為鋼化玻璃、前型材抗彎截面系數較大情況下的應力云圖如圖9、圖10所示。型材和托架為鋁合金，隔板為PC板、前型材抗彎截面系數較小情況下的應力云圖如圖11、圖12所示。從圖中可以看出，當前型材的位移量較小時，托架和框架型材的強度能滿足要求。當前型材的位移量較大時，托架和框架型材的強度不足。因此，前型材的位移量影響托架和型材的應力大小，而前型材的位移量又是由其抗彎截面系數決定。

4.2 螺栓的選用

對于行李架中螺栓的選用，需要特別關注的是型材與托架的螺栓，托架與車體連接的螺栓。筆者經過大量仿真計算及實驗結果得出：型材與托架的連接可以選用M5及以上的螺栓。托架與車體連接的螺栓最好選用M8及以上的螺栓，也可以選用高等級的M6螺栓。

5 結 語

①PC隔板的位移比鋼化玻璃要大，鎂合金的位移比鋁合金位移更大。前后型材的抗彎截面系數直接決定行李架的位移量，特別是前型材的抗彎截面系數的影響最為明顯。因此，在設計行李架時需要綜合考慮，如果對行李架變形要求高，就需要選用抗彎截面系數較大的型材。

②前型材的位移量影響托架和型材的應力大小，而前型材的位移量由其抗彎截面系數決定。當前型材的變形量較大時，對托架結構需要更高的設計要求。

③型材與托架的連接可以選用M5及以上的螺栓。托架與車體連接的螺栓最好選用M8及以上的螺栓，也可以選用高等級（如10.9級、12.9級）的M6螺栓。

參考文獻：

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[2] 蘇向震，何江達，陳方竹.有限元計算中模型選擇對結果的影響[J].紅水河，2007，（2）.