動車組風缸安裝結構強度與疲勞的仿真分析

何佳捷，仲崇成，鞠增業，徐忠宣，徐春艷

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著動車組設計速度的不斷提高，列車安全、舒適性能要求不斷提升，特別是在多隧道、高原、沙漠、高溫、高寒及高海拔等復雜多變的服役環境時，動車組列車車下吊掛設備將承受更加復雜、惡劣的載荷條件，設備的振動、沖擊、疲勞等技術挑戰愈發凸顯，容易導致吊掛設備局部出現振動疲勞裂紋。

1 概述

動車組頭、尾車各安裝一個風缸，風缸通過3根過渡梁安裝于車體橫梁間，部件之間的連接采用6個M12螺栓（符合標準GB5783，材料為A2—70）加HARD—LOCK螺母。每根過渡梁均通過兩個托座安裝在兩個車體橫梁之間。每個托座采用4個Φ10的HUCK不銹鋼鉚釘鉚接在車體橫梁上，過渡梁與托座間采用2個M12螺栓加HARD—LOCK螺母方式進行防松固定。如圖1所示。

單個風缸的重量約為36kg。除車體橫梁采用鋁合金材料外，其余所有材料均采用06Cr19Ni10材料。

圖1 風缸安裝結構示意圖

2 風缸安裝結構有限元模型

根據風缸的吊掛位置，本文規定平行行車方向為縱向（X向），橫向垂直行車方向為橫向（Y向），上下垂直行車方向為垂向（Z向）。采用Hypermesh軟件對風缸安裝結構進行幾何處理及劃分網格，使用ABAQUS軟件進行仿真計算與結果后處理。

風缸安裝結構屬于彈性薄殼結構，所以有限元模型采用Shell單元；對主要考察的過渡梁、托座等結構，其單元尺寸最大為5mm，局部有所細化；對風缸、車體橫梁等結構，其單元尺寸最大為20mm，連接部位有所細化。以Beam單元模擬鉚釘、螺栓結構，以連續分布耦合約束模擬鉚釘連接以及螺栓連接。整個模型包括33195個單元和34845個節點。

3 載荷工況及邊界條件

3.1 沖擊工況

根據IEC 61373：2010標準中I類A級的要求，沖擊的加速度理想化為標準半波正弦，沖擊加速度的最大值分別為30m/s2和50m/s2。根據標準要求，分別計算結構沿縱向前后方向、橫向左右方向和垂向上下方向6個方向的沖擊強度。

3.2 疲勞工況

根據BS EN 12663—1：2010《鐵路應用—鐵路車輛車身的結構要求 第1部分：機車和客運車輛》，制定結構的疲勞強度計算工況，縱向±0.15g、橫向±0.15g、垂向±0.15g，此外各工況均對整體結構施加1g重力加速度。

3.3 模態計算

計算風缸安裝結構的模態，給出頻率與振型計算結果。

3.4 載荷施加與邊界條件

（1）沖擊工況，以縱向沖擊計算工況為例，在橫梁與車體連接部位施加X、Y、Z三向約束，其中Y、Z約束為零位移約束，X約束為加速度約束，沖擊的加速度理想化為標準半波正弦，最大值為50m/s2。

（2）疲勞工況，在橫梁與車體連接部位施加X、Y、Z三向零位移約束，對模型整體施加加速度載荷。

3.5 評定標準

對于沖擊工況，采用第四強度理論對結構進行評價，車體在各工況下的最大Mises應力應小于材料的屈服極限。

對于疲勞工況，計算結構在各個工況主應力的最大值σmax，然后計算所有工況主應力在該方向上投影的最小值σmin，由此計算平均應力σm和應力幅值σa。

繪制Goodman疲勞極限圖，結構各單元的（σm，σa）均應位于材料的疲勞包絡線以內，結構滿足疲勞要求。

4 計算結果與分析

4.1 沖擊工況計算結果

各沖擊工況下，風缸安裝結構的最大Mises應力為189.5MPa，應力云圖分布如圖2所示，發生在垂向沖擊工況下，過渡梁與風缸螺栓連接部位，最大Mises應力未超過過渡梁材料的屈服強度。

圖2 最大Mises應力云圖分布

4.2 疲勞工況計算結果

風缸安裝結構各工況下的最大主應力的最大值為20.398MPa，其應力云圖分布如圖3所示；母材最大應力幅值為10.13MPa，焊縫最大應力幅值為5.562MPa。

圖3 疲勞工況2最大主應力云圖分布

風缸安裝結構在疲勞工況下，各評估點均在疲勞包絡線內，Goodman疲勞極限圖如圖4所示。

圖4 過渡梁與托座疲勞極限圖

4.3 模態計算結果

風缸安裝結構的一階頻率為24.018Hz，振型如圖5所示，遠大于車體一階固有頻率。

圖5 一階振型（24.018Hz）

5 結語

使用ABAQUS有限元軟件對動車組風缸安裝結構進行沖擊強度與疲勞強度有限元仿真計算，沖擊強度按照IEC 61373—2010中的I類A級要求，疲勞強度參照BS EN 12663-1：2010《鐵路應用—鐵路車輛車身的結構要求第1部分：機車和客運車輛》。各沖擊工況下，風缸安裝結構的最大Mises應力為189.5MPa，未超過材料的屈服強度；過渡梁和托座未超過非打磨焊縫的疲勞極限，符合軌道車輛的安全需求，仿真分析方法對其他車下吊掛設備強度分析具有一定的參考的作用。