基于ANSYS的地鐵車輛逆變器吊裝結構強度分析

周博，陳征

(大連交通大學 動車運用與維護工程學院，遼寧 大連 116028)

0　引言

輕軌、地鐵的迅速普及，在給旅客提供了方便快捷交通工具的同時，還必須保證車輛在工作狀態下的安全可靠.輔助逆變器作為車輛的轉換電能的裝置，其主要功能是為車輛的制冷系統以及多種控制回路進行供電，為了提升車廂內部空間的利用率，通常將該設備置于車輛的底部，其吊裝結構則成為重要的承載部件.逆變器吊裝部件的應力分布和變形情況將直接關系到車輛的安全運行，如果在車輛高速運行期間，吊裝部件中的各個部件連接處發生斷裂，將會導致嚴重的交通事故，最終結果將直接危及到車輛內乘客的生命財產安全，所以針對在標準工況下對吊裝結構的應力分布和變形的研究，在保證車輛安全運行方面來說有著重要的意義[1- 4].

本文以某新型地鐵車輛底部吊裝結構為研究對象，參考《EN 12663- 1- 2010鐵路應用設施.鐵路車輛車體的結構要求.機車和客用車》，利用有限元仿真軟件ANSYS，進行了逆變器吊裝結構的應力分布以及變形分析校核，根據標準工況下吊裝結構的應力分布與變形狀況，對其結構設計的合理性和可靠性進行了分析與評價.

1　逆變器吊裝結構有限元模型

本文中的逆變器安置于地鐵車廂的底部，總重量為965 kg，使用螺栓剛性固定在車下C型槽上.通過吊耳(6個)、螺栓(24個M10螺栓、16個M16螺栓)、橡膠墊等與車底架連接，逆變器吊裝結構的幾何模型如圖1所示，連接結構如圖2所示.

圖1逆變器吊裝結構正視圖圖2吊裝連接結構圖

1.1　建立有限元模型

利用有限元仿真軟件ANSYS建立逆變器的有限元模型，為了保證仿真結果的可靠性和計算期間的斂散性，在劃給網格之前針對結構進行適當的簡化，本文根據逆變器吊裝的結構特點和分析的目的，有限元模型采用空間四節點板殼單元(Shell 181)和梁單元(Beam 186)混合建模的方式.其中，吊裝結構主要以四節點板殼單元為主通過剛性連接(Rigids)的方式與與之相連的各個構件進行連接，與實體單元相比，板殼單元由于結合考慮了結構單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應，因此，其具有更高的計算精度，螺栓連接結構部分則處理成為梁單元，也通過剛性連接(Rigids)的方式也C型槽和吊耳進行銜接[5].

逆變器的有限元模型中單元總數為207 209個，結點總數為227 697個.逆變器結構的有限元整體模型如圖3所示，局部模型如圖4所示.

圖3逆變器結構的有限元整體模型圖4逆變器結構的有限元局部模型

1.2　材料屬性

吊裝結構主要部件的材料參數如表1所示.

表1　主要部件的材料參數

1.3　載荷加載

參考《EN 12663- 1- 2010鐵路應用設施.鐵路車輛車體的結構要求.機車和客用車》，本次仿真的有限元模型按照以下八種工況進行計算，其中g代表重力加速度，取值g=9.8 m/s2如表2所示.

表2　靜強度分析工況

2　吊裝結構有限元仿真結果分析

通過對不同工況下逆變器吊裝結構的靜強度分析，可知：由于螺栓連接吊座將設備緊固于車體底架，為主要承力結構，因此吊座附近為應力較高區域，向下(設備框架)、向上(車體底架)逐漸過渡.吊座應力總體分布均勻合理，在給定載荷工況下應力均小于材料屈服應力，滿足強度要求.表3、表4給出了不同工況下吊座最大應力分布、吊座焊縫強度及評估結果.

表3　各工況最大應力及強度評估結果

表4　各工況焊接縫強度評估結果

(a) 整體應力云圖 (b) 整體位移云圖

(c) 局部應力云圖 (d) 局部焊縫處應力云圖

圖5工況1作用下的結果云圖

(a) 整體應力云圖 (b) 整體位移云圖

(c) 局部應力云圖(d) 局部焊縫處應力云圖

圖6工況2作用下的結果云圖

(a) 整體應力云圖 (b) 整體位移云圖

(c) 局部應力云圖(d) 局部焊縫處應力云圖

圖7工況4作用下的結果云圖

根據表3所示，吊座最大應力大于160 MPa且小于屈服強度的的工況只有工況1、工況2和工況4，且同樣都出現在吊座圓孔處，局部應力云圖結果如圖5(c)、6(c)、圖7(c)所示，而根據表4可知吊座焊接應力超過90 MPa且小于屈服強度的工況也同樣是以上的提到的三個工況，局部焊縫處的最大應力云圖如圖5(d)、6(d)、圖7(d)所示.

3　吊裝結構螺栓受力分析

地鐵車輛底部輔助逆變器由30枚螺栓連接于車體底架，其中M10×24、M16×6，性能等級為A4- 70，螺栓的屈服極限為450 MPa.螺栓在八種載荷工況作用下，螺栓的許用應力為[σ]=σs/n，安全系數：n=1.2～1.5.

3.1　螺栓總拉力及預緊力計算

螺栓在安裝時，每個螺栓受有預緊力Qp，當承受軸向工作載荷F后，由于螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力不等于預緊力Qp和工作拉力F之和；而是與Qp，F和螺栓剛度CL，被連接件的剛度CF有關，當應變在彈性變形范圍內，各零件受力可根據靜力平衡和變形協調條件進行分析.因此，螺栓的總拉力等于預緊力加上部分工作載荷，即：

對于一定公稱直徑d的螺栓，當螺栓的擰緊力矩T已知時，可確定螺栓的預緊力，即：

Qp≈T/(0.2d)

性能等級為A4- 70，螺栓M10×24，其預緊力矩T為37 N·m，螺栓M16×6，其預緊力矩T為155 N·m.

3.2　螺栓總拉力及預緊力計算

參照吊裝結構有限元分析結果，得出八個個工況下三十個螺栓的受力及評估結果，其中工況1下的螺栓工作拉力大于0N的結果如表5.

考慮到螺栓連接吊座將設備緊固于車體底架，為主要承力結構.從有限元分析結果來看，吊座附近為應力較高區域，向下(設備框架)、向上(車體底架)逐漸過渡.吊座應力總體分布均勻合理，在給定載荷工況下應力均小于材料屈服應力，滿足強度要求，螺栓布置合理.

表5　計算工況1螺栓受力評估結果表

表5　計算工況1螺栓受力評估結果表(續)

4　結論

借用有限元數值仿真的方式對某新型地鐵車輛底部逆變器吊裝結構進行強度分析，基本掌握了逆變器吊裝結構的整體應力分布、變形程度以及安全裕量，仿真結果顯示該吊裝結果滿足強度要求，具備良好的承載能力.

本文僅針對地鐵車輛下逆變器吊裝結構靜強度依照相關標準進行了初步的分析與計算.而考慮到列車在高速運行期間，車輛下的各種設備同時承受包括扭振、瞬態沖擊、氣體壓力等多種交變載荷，其外載荷變得更加多樣.所以，針對整個鋁合金車體結構的疲勞耐久性問題的研究則顯得更為重要，尤其是在車輛底部的吊裝結構關鍵焊縫的疲勞壽命與銜接件螺栓的疲勞壽命分析.這些問題需要在今后的日常工作中進行進一步的探索與研究.

參考文獻:

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[3]程亞軍,高陽,劉洪濤. 地鐵車底局部吊裝仿真分析與疲勞試驗[J]. 鐵道技術監督,2012,40(10):31- 34.

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