高速動車組廢水箱模態與沖擊仿真分析

高速動車組廢水箱模態與沖擊仿真分析

趙子豪，劉韶慶，王萬靜，王宗正

(南車青島四方機車車輛股份有限公司國家高速動車組總成工程技術研究中心，山東青島266111)

摘要：高速動車組運行時產生的劇烈振動對廢水箱等車下吊掛設備的結構安全可靠性會帶來不利影響。對廢水箱進行空箱、半箱水和滿箱水的模態計算，并對裝滿水的廢水箱進行三向沖擊載荷條件下的強度計算。計算結果表明，隨著廢水箱內水量的增加，其固有頻率會逐漸減小；在三向沖擊載荷條件下，車下廢水箱的強度能夠滿足設計運用要求。

關鍵詞:廢水箱沖擊模態強度

中圖分類號：U266.2文獻標識碼：A

作者簡介：趙子豪(1985-)，男，山東萊州人，漢族，碩士，畢業于北京理工大學，所學專業：工程力學，職稱：工程師，目前主要從事鐵道車輛結構強度仿真研究工作。

收稿日期：2015-04-14

Modal analysis and impact simulation of waste water tank of high-speed EMU

ZHAO Zihao,LIU Shaoqing,WANG Wanjing,WANG Zongzheng

Abstract:When high-speed EMU is running, it will produce severe vibration, which has an adverse impact on the safety and reliability of waste water tank and other vehicle equipments. In this paper, waster water tank modal is calculated when the tank is empty, half or full of water. The strength calculation is made for the waste water tank filled with water under three different impact loading conditions. The results show that its natural frequency will gradually decrease when the mass of waster water increases. The strength of the waste water tank can meet the application requirements in impact loading conditions.

Keywords:waste water tank; modal; impact; strength

0引言

廢水箱是高速動車組不可或缺的車下設備，它以吊掛方式安裝在車體底架橫梁上。計算廢水箱在空箱、半箱水和滿箱水狀態下的模態，得到其固有頻率，為避免動車組運行時發生共振具有重要意義。列車高速運行時，由于輪軌間的相互作用，廢水箱將產生劇烈振動，為確保廢水箱的安全可靠性，廢水箱結構強度設計時必須充分考慮振動沖擊作用的不利影響[1-4]。廢水箱結構設計是否安全、可靠，對高速動車組的安全服役具有重要意義，為此需要對廢水箱結構進行沖擊仿真分析[5-8]。

1廢水箱有限元模型建立

1.1實體幾何模型

廢水箱的幾何模型如圖1所示。動車組廢水箱是由箱體和承載骨架焊接組裝而成。箱體通過6個螺栓與車體底架橫梁連接。箱體和承載骨架均為不銹鋼材料304L。

1.2有限元模型

本文采用4節點PSHELL單元對廢水箱幾何模型劃分網格，基本單元尺寸為10 mm,共形成72497個單元和73743個節點，考慮到廢水箱的實際承載情況，對應力集中和梯度變化較大的部位進行了網格細化，生成的廢水箱有限元模型如圖2所示。

圖1　廢水箱幾何模型　　圖2　廢水箱有限元模型

1.3材料屬性

廢水箱的箱體和骨架均采用不銹鋼304L，所用材料屬性如表1所示。

表1

材料性能

1.4計算工況及邊界條件

圖4　加速度為5g的時間歷程

計算廢水箱在空箱、半箱水和滿箱水時的模態，得到各個狀態下的固有頻率。依據有關振動沖擊試驗標準，將振動沖擊加速度作為廢水箱的計算載荷。約定縱向為X方向(軌道方向)，橫向為Y向(枕木方向)，垂向為Z向(垂直于地平面方向)，廢水箱在沖擊作用下分別承受3個方向的加速度，其中縱向加速度為5 g，橫向加速度為3 g，垂向加速度為3 g。根據標準要求，沖擊的加速度理想化為標準半波正弦：

2求解和提取仿真結果

利用Optistruct求解器來計算廢水箱在空箱、半箱水和滿箱水三種狀態下的模態, 利用Radioss求解器來計算廢水箱在三向沖擊載荷條件下的強度。

2.1模態分析

通過對廢水箱的模態分析，能夠確定出廢水箱固有頻率和振型，固有頻率和振型是廢水箱的基本特性，也是分析和評價廢水箱動態性能的重要指標。通過計算得出了空箱、半箱水和滿箱水狀態下廢水箱前四階模態。廢水箱固有頻率如表2所示，廢水箱空箱的前4階模態振型如圖5-圖8所示。

表2

廢水箱的固有頻率/Hz

2.2沖擊強度分析

圖9　縱向沖擊von Mises等效 應力云圖

圖9-圖11給出了廢水箱滿水時三向沖擊載荷工況下的von Mises等效應力云圖。

由表3可見，縱向5 g沖擊載荷作用下，最大應力值109.61 MPa, 發生在廢水箱安裝座與螺栓的接觸處；橫向3 g沖擊載荷作用下，最大應力值69.50 MPa,發生在廢水箱骨架的小縱梁處；垂向3 g沖擊載荷作用下，最大應力值為81.34 MPa,發生在廢水箱安裝座與螺栓的接觸處；三個沖擊時的最大應力值均小于不銹鋼304L的屈服強度，因此滿足設計要求。

表3廢水箱滿箱水時的Von-Mises等效應力值

沖擊工況Von-Mises/MPa最大應力位置Rp0.2/MPa縱向沖擊109.61安裝座與螺栓的接觸處205橫向沖擊69.50骨架小縱梁處205垂向沖擊81.34安裝座與螺栓的接觸處205

3結論

通過創建廢水箱有限元模型，完成高速動車組廢水箱的模態計算與三向沖擊載荷工況計算，并驗證了該設計結構的安全性。計算結果表明，廢水箱在空箱、半箱水及滿箱水時的一階固有頻率均高于30 Hz，能夠滿足設計要求，并且伴隨著廢水箱內水量的增加，其固有頻率會逐漸減小；在三向沖擊載荷條件下，廢水箱結構的最大等效應力均低于304L不銹鋼的屈服強度，因此能夠滿足強度設計要求；其中在承受縱向5 g加速度沖擊載荷作用時的Von Mises等效應力值最大，最大應力位置發生在廢水箱安裝座與螺栓的接觸處。

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