車下設(shè)備安裝架強度分析及優(yōu)化

寇福俊 曹寶元 劉元君 景建輝

摘要：通過計算動車組的車下設(shè)備安裝架在車輛運行過程中受到橫向、縱向、垂向三個方向載荷作用時的應力，對安裝架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，計算結(jié)果表明，優(yōu)化后的吊掛結(jié)構(gòu)靜強度的安全系數(shù)有很大提高，大幅提升了動車的安全運營保障，也為其他吊掛設(shè)備安裝架的優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：蓄電池箱;安裝架;靜強度;優(yōu)化

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.07.094

1概述

盡管我國高速列車的設(shè)計、制造和集成技術(shù)已經(jīng)具有世界先進水平，高速列車的安全運行問題仍然是面臨的巨大挑戰(zhàn)。高鐵車輛作為運輸體系中的關(guān)鍵裝備，對車輛及其零部件的安全評估也就越來越重要。高鐵車輛有很多的車下吊掛設(shè)備，這些設(shè)備的吊點往往不具備直接安裝到車體的條件，所以需要通過安裝架連接到車體上。安裝架承受載荷復雜，工作環(huán)境惡劣，所以對這些安裝架的強度的評估和優(yōu)化對高鐵的安全運營具有重要的意義。為此以蓄電池箱安裝架為例進行分析、優(yōu)化和試驗。

2原方案有限元模型建立

2.1幾何模型

蓄電池箱安裝架為拼焊結(jié)構(gòu)，其下方吊掛設(shè)備質(zhì)量為490kg，重心位置基本位于設(shè)備幾何中心處，垂向重心距吊座安裝面250mm，如下圖所示。安裝架與設(shè)備通過安裝座使用M12螺栓連接，安裝架與車體底架為M20螺栓連接。

2.2有限元模型

根據(jù)蓄電池箱安裝架的實際結(jié)構(gòu)和尺寸建立幾何模型，對蓄電池箱安裝架的幾何模型進行離散。模型采用殼單元S4，單元大小為3mm，共劃分11591個單元，12189個節(jié)點，蓄電池箱安裝架有限元模型如圖2所示。

2.3材料屬性

蓄電池箱安裝架材料選用鋁合金5083 P-0，材料屬性如表1所示。

2.4計算工況和邊界條件

根據(jù)鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)的相關(guān)標準規(guī)定，車下設(shè)備靜強度需滿足縱向±3g、橫向±1g、垂向（1±C）g載荷及載荷組合要求，根據(jù)安裝架在車體上的安裝位置確定C取0.5。

由設(shè)備的特點和標準要求，靜強度計算有8種工況，如表2所示。

3仿真結(jié)果及分析

3.1靜強度計算結(jié)果

表3是靜強度計算結(jié)果，可以看出所有工況的等效應力最大值均大幅超出屈服強度，發(fā)生的部位在吊掛點和安裝座區(qū)域，其中最小的工況一，圖3是工況一的等效應力云圖，可以看出，整個結(jié)構(gòu)有一半的區(qū)域超過屈服強度，上縱梁尤其嚴重。

3.2優(yōu)化方案

根據(jù)靜強度分析，發(fā)現(xiàn)如下問題。

（1）L型的上縱梁強度遠不能滿足要求;

（2）彎縱梁的厚度需要增加;

（3）吊掛點的焊接方案需優(yōu)化;

（4）優(yōu)化后的重量需要控制。

根據(jù)分析，針對以上問題，主要采用的優(yōu)化方法有以下幾點：

（1）改變焊縫預留位置，將吊耳焊縫上移，形成局部整體承載;

（2）增加上彎梁板厚，由原來的6mm增加到8mm，其它不變;

（3）設(shè)置減重孔，在非集中承載位置打直徑40mm的圓孔。

經(jīng)多次優(yōu)化驗證，得到最終的優(yōu)化方案見圖4，原設(shè)計質(zhì)量為11.5kg，優(yōu)化后質(zhì)量為11.9kg。

4優(yōu)化方案的仿真及分析

表4是最終優(yōu)化方案的計算結(jié)果，可以看出，所有工況等效應力均小于屈服強度，其中工況一的應力最大，圖5是工況一的等效應力云圖。

5結(jié)論

通過對蓄電池箱安裝架計算結(jié)果的分析，提出優(yōu)化的方案，并對優(yōu)化方案進行計算驗證。計算結(jié)果顯示，優(yōu)化后的方案安全系數(shù)大幅提升。

可以依此為依據(jù)，對其他車下設(shè)備安裝架進行分析和優(yōu)化，提升車輛整體的安全系數(shù)。

參考文獻

[1]BSEN 12663-1-2010+A1-2014.鐵路應用-鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求[S].

[2]GB/T 7928 2003地鐵車輛通用技術(shù)條件[S].

[3]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2016.

[4]嚴雋耄，傅茂海.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2008.