制動模塊靜強度及疲勞強度仿真分析

王雯 姚風龍 周春梅 牛成亮

摘要：本文以地鐵車下設備制動模塊為研究對象，依據“EN12663-2010鐵路應用-鐵路車輛車身的結構要求”標準施加載荷，采用ANSYS軟件對制動模塊進行了有限元應力分析，并對其進行靜強度和疲勞強度評估。計算結果表明，該制動模塊結構的靜強度和疲勞強度均滿足標準要求，為類似結構設計、分析計算、改進優化提供了參考。

關鍵詞：制動模塊;靜強度;疲勞強度;ANSYS

隨著地鐵事業的飛速發展，人們對地鐵車輛的制動模塊吊裝結構的可靠性要求越來越高，車輛安全問題備受關注[1][2]。制動模塊作為車下設備，長期處于復雜的振動環境，并容易發生各種形式的失效[3]。

為了能夠準確模擬制動模塊在各工況中的受力狀態，制動模塊有限元模型采用主承載結構精細化建模。在本文中所有涉及坐標系的方向如圖1所示。

X 向：制動模塊縱向，從兩枕梁中心指向一端（此處為氣路出口端）;

Y 向：從橫向中面（以兩側大縱梁為基準）指向一端的吊架大縱梁;

Z 向：從軌道梁走行面指向制動模塊。

制動模塊主承載結構為吊架組成，其主要包含縱梁、橫梁、小橫梁、吊板、氣路出口板等，各模塊通過螺栓等固定連接，其主承載結構三維模型如圖2所示，主要承載結構由06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼組焊與螺栓組合連接而成。

其中，內部連接螺栓為M10規格、外部連接螺栓為M16 規格，不銹鋼板厚分別有2mm、4mm、6mm共三種規格（在圖3中依次以 T2、T4、T6 符號示意）。

1有限元模型

對此制動模塊進行有限元離散時，薄板結構采用殼單元離散，充分考慮制動模塊各部分連接的真實情況，具有明確安裝位置及質心的結構（風缸組成、防脫吊架等）以集中質量的形式施加在各自的質心位置，制動模塊總質量為268.1kg。

此有限元靜強度計算模型總計有81846個節點和78180個單元。有限元模型如圖4所示。

2計算載荷工況與邊界條件

制動模塊吊裝結構疲勞分析依據《EN12663-2010鐵路應用鐵路車輛車身的結構要求》[4]，制動模塊吊裝靜強度工況（即特殊載荷工況）、疲勞載荷工況，如表1、2所示。

4強度評估與應力分析

制動模塊強度評估分為靜強度與疲勞強度評估兩種方法：

靜強度評估方法是在各載荷工況下，結構各處的應力均應小于相應材料的許用應力，如下式所示：

其中，安全系數表示為：應大于1.5。

為了保證30年的最小使用壽命，使用疲勞極限設計方法進行疲勞壽命的評估。評估方法是對于某個確定連接的部位，取相應S-N曲線上1E7周期處的疲勞許用應力范圍值[5]，計算得到的壽命值大于1E7，即滿足疲勞強度要求。制動模塊需同時滿足靜強度要求與疲勞強度要求才可以滿足設計要求。

4.1 靜強度應力計算分析結果

圖5給出了第5工況的Von-Mises靜強度應力計算結果云圖，表4列出了各單獨工況和組合工況下的最大應力值及其發生部位。可見，在組合載荷作用下，制動模塊二端左側縱梁螺栓上表面部位出現最大應力（第5工況），應力值為121.63MPa，小于制動模塊承載結構用材06Cr19Ni10的屈服許用應力210MPa，安全系數1.727>1.5，因此該制動模塊結構滿足靜強度要求。

4.2 疲勞載荷工況安全因子計算結果

圖6給出了疲勞第5工況安全因子云圖，表5列出了各疲勞工況危險位置及安全系數。可見，在各個載荷組合工況下，制動模塊承載結構上疲勞壽命最小值的位置為二端右側縱梁螺栓孔上表面處，計算值大于許用疲勞壽命1E7，安全系數1.904>1.5，因此該制動模塊的疲勞強度滿足要求。

5 結論

制動模塊在各載荷工況下滿足靜強度計算要求，最大應力發生位置為二端左側縱梁螺栓孔上表面處，安全系數均在1.5以上。并且在模擬實際運行各工況交變載荷的作用下滿足均疲勞強度要求，滿足“EN12663-2010”標準要求，表明此制動模塊結構滿足設計要求。

參考文獻

[1]田宗睿，高速動車組制動模塊結構可靠性分析及優化[J].機械設計與制造工程，2020（6）.

[2]李成濤.動車組車下制動模塊框架靜強度及聯接螺栓非線性有限元分析[J].科技與企業，2016（2）：251-252.

[3]陳姝枚.地鐵車輛制動模塊疲勞強度研究[D].北京：北京交通大學，2017.

[4]EN 12663-1 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies， Part1： Locomotives and passenger rolling stock （and alternative method for freight wagons）.2010.

[5]EN 1999-1-3 Eurocode 9： Design of aluminum structures， Part1-3 ：Structures susceptible to fatigue.2007.

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