基于ABAQUS的高速動車組制動控制裝置支架有限元的分析

江濤

（南京浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇 南京 211800）

基于ABAQUS的高速動車組制動控制裝置支架有限元的分析

江濤

（南京浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇 南京 211800）

動車組在高速運行時，車載設備受到運行產生的振動沖擊十分強烈。論文創建了高速動車組制動控制裝置計算模型，通過ABAQUS數值仿真，對制動控制裝置支架進行了靜強度和振動沖擊分析，獲得了制動控制裝置支架在不同工作狀況下最大應力，分析結果表明：制動控制裝置支架滿足在靜強度和振動沖擊下材料的屈服極限，同時對制動控制裝置結構設計提出了合理化建議。

高速動車組；制動控制裝置支架；有限元分析；ABAQUS

0 引言

本文主要基于abaqus有限元分析方法，以鐵路相關行業標準為判定依據，對制動控制裝置支架的靜強度、沖擊強度進行仿真分析，為制動控制裝置支架設計提供依據。

1 設計要求

高速動車組制動控制裝置是將制動控制器、閥類、旋塞類、濾塵器、風缸集約單元化的產品，主要用于高速動車組的制動控制；制動控制裝置（見圖1）安裝于動車組車下，當車輛到站時，對動車施加制動，因此在動車運行過程中，制動控制裝置支架的強度對于列車制動系統的可靠和穩定起著重要的作用。

圖1　動車制動控制裝置Fig.1 Braking control device

根據標準JIS E-4031、EN-12663對整個制動控制裝置施加不同荷載，從而考量制動控制裝置支架的強度，要求支架在規定荷載下最大應力不得大于許用應力，具體判定標準如表1所示。

表1　判定標準Tab.1 Criteria

2 模型處理

（1）幾何模型。制動控制裝置幾何模型如圖1所示，因大風缸雖為儲氣裝置，但其本身也起到傳遞荷載作用，因此也將其作為支架的一部分來考慮。圖中X方向為縱向，Y方向為垂向，Z方向為橫向。

（2）支架材料參數。制動控制裝置支架材料彈性模量為210000MPa，泊松比為0.3，屈服強度為245MPa。材料均按線性材料考慮。支架母材強度參數見表2；網格模型（見圖2）。

表2　支架母材強度參數Tab.2 Stand material strengthparameters

（3）連接關系。動車制動控制裝置中集成了制動控制器、閥類、風缸、氣路板等眾多部件，為了能夠減少計算量，縮短計算時間、提高計算準確度，支架與風缸、支架與氣路板以及支架本身的焊接關系通過ABAQUS中的Tie連接，下護箱的MASS單元通過Coupling與風缸支架及氣路板連接見圖3。因風缸、氣路板和下護箱不在分析范圍之內，所以將風缸、下護箱采用Display body將其顯示，氣路板本身定義成剛性較大的材料，使其起到連接支架的作用；通過約束支架四周的安裝孔來模擬制動控制裝置懸掛于動車車下。對支架4個安裝孔施加位移/轉角約束，約束其6個自由度。具體位置見圖4。

圖2　裝置網格模型圖Fig.2 Device grid model

圖3　連接關系示意圖Fig.3 Connection relationship

圖4　吊架安裝孔約束示意圖Fig.4 Stand mounting hole constraint

3 靜載荷強度分析

在動車運行過程中，支架主要承受來自制動控制裝置自身載荷和列車對其的作用，因此靜強度是否滿足材料的屈服極限，對動車能否穩定的制動具有重要意義。根據EN12663-2000《鐵道應用—軌道車身的結構要求》的規定，制定如表2所列的不同工況下制動控制裝置支架所承受的靜載荷，對其進行靜載荷強度分析，以校核其強度是否滿足材料的屈服極限。g為重力加速度，g=9.8m/s2。

由圖5～圖7可知，工況1的最大應力為143.3MPa，工況2的最大應力為152.3MPa，工況3的最大應力為219.8MPa；制動控制裝置支架材料屈服強度為245MPa，三種工況下最大應力均小于支架的屈服極限，說明制動控制裝置支架的結構設計、支架材料符合EN12663-2000《鐵道應用—軌道車身的結構要求》靜強度要求，同時也可以靜強度分析作為依據，適當對制動控制裝置進行改形優化設計，在滿足靜強度的基礎上，適當減輕其重量，對于動車組制動系統輕量化具有重要意義。

表3　靜強度載荷參數Tab.3 Static strength load

圖5　-1靜載荷工況1應力分布Fig.5-1 Static load condition 1 stress distribution

圖5　-2靜載荷工況1最大應力Fig.5-2 Static load condition 1 the maximum stress

圖6　-1靜載荷工況2應力分布Fig.6-1 Static load condition 2 stress distribution

圖6　-2靜載荷工況2最大應力Fig.6-2 Static load condition 2 the maximum stress

圖7　-1靜載荷工況3應力分布Fig.7-1 Static load condition 3 stress distribution

圖7　-2靜載荷工況3最大應力Fig.7-2 Static load condition 3 the maximum stress

4 沖擊載荷強度分析

高速動車組在運行過程中，路況比較復雜，有高地有低地，有彎道有平道，列車運行速度有快又慢，制動控制裝置承受著各種情況下的振動沖擊，在對其靜強度分析后，對其沖擊載荷強度分析，以驗證其承受各種不同情況下的振動沖擊能力。根據標準JIS E4031-2008《鐵路鐵路車輛部件--振動及沖擊試驗方法》相關規定，在Abaqus中分別對X、Y、Z方向綜合施加沖擊載荷（沖擊載荷參數見表3），沖擊荷載按JIS E4031一類B種標準分三種情況施加，脈沖波形見圖8，在計算中只取其中沖擊階段脈沖波形，重力加速度（9.8N·m/s2）。

從圖9～圖11可知：工況1下沖擊載荷最大應力為174.2MPa，工況2下沖擊載荷最大應力為162. 9MPa，工況3下沖擊載荷最大應力為61.76MPa，均小于制動控制裝置支架的屈服極限，說明制動控制裝置支架的設計、結構強度符合JIS E4031-2008《鐵路鐵路車輛部件——振動及沖擊試驗方法》振動沖擊要求。

表4　沖擊載荷參數Tab.4 Shock load

圖8　沖擊荷載脈沖波形圖Fig.8 Shock load pulse wave

圖9　-1沖擊載荷工況1應力分布Fig.9-1 Static load condition 1 stress distribution

圖9　-2沖擊載荷工況1最大應力Fig.9-2 Shock load condition1 the maximum stress

圖10　-1沖擊載荷工況2應力分布Fig.10-1 Shock load condition 2 stress distribution

圖10　-2沖擊載荷工況2最大應力Fig.10-2Shock load condition2 the maximum stress

圖11　-1沖擊載荷工況3應力分布Fig.11-1 Shock load condition 3 stress distribution

圖11　-2沖擊載荷工況3應力分布云圖Fig.11-2 Shock load condition3 the maximum stress

5 結論

5.1結果分析

經過對高速動車組制動控制裝置支架進行靜強度和振動沖擊有限元分析，獲得了在不同工況下產生的最大應力并研究了支架周圍的應力分布，得出如下結論：①靜強度載荷數值仿真得到的不同工況下的最大應力均小于支架材料的屈服極限，支架結構滿足高速動車組穩定性要求；②振動沖擊強度載荷數值仿真得到的不同工況下的最大應力均小于支架材料的屈服極限，支架結構滿足高速動車組耐振動和沖擊狀態下的要求。

5.2制動控制裝置設計合理化建議

針對本文的分析結論，對高速動車組制動控制裝置支架設計提出以下幾點建議：①最大應力處多顯示支架吊裝孔周圍，可通過改變吊裝孔形狀或在吊裝孔上設置墊塊，減少或避免該處的應力集中；②風缸占到制動控制裝置重量相當大的比例，可考慮在滿足靜強度和振動沖擊強度的基礎上，改變風缸材質，對風缸進行輕量化設計，滿足高速動車組更加輕便型和方便安裝性的要求。

［1］莊茁，等.非線性有限元分析與實例［M］.北京：科學出版社，2005.

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［3］江濤.基于ABAQUS的絲杠冷打成形過程分析［D］.西安理工大學，2013.

［4］江濤，李言．冷滾打絲杠的彈塑性分析［C］．制造技術自動化學術會議論文集，2009，12．

［5］蔣愛軍，等．地鐵列車制動框架有限元分析［J］.鐵道機車與動車，2013，8.［6］王文平，萬敏，吳向東，刁可山．基于Abaqus的汽車板快速沖壓有限元分析［J］.鍛壓技術，2009，3.

Finite Element Analysis of the High-speed Train Braking Control Device Bracket Based on ABAQUS

JIANG Tao
（Nanjing Puzhen Haitai Brake Equipments Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 211800，China）

When the high-speed train in operation，the impact of vehicle equipment operation is extremely strong.The article aims on numerical value analyzing for the high-speed train baking cntrol dvice bracket，which is supported strength and vibration impact analysis through the numerical simulation of ABAQUS.Thereby educe stress distribution and the maximum stress in different working conditions. The results show that the baking cntrol dvice bracket meet the material limit yield in the conditions of strength and vibrationimpact，Proposing sagacious suggestions for the design structure of control device of brake.

high speed train；braking control device stand；finite element analysis；ABAQUS

TP29

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.040

1002-6673（2015）02-104-03

2015-02-05

江濤（1985-），男，江蘇南京人，碩士，工程師。