動車組頭部開閉機構設計優化與仿真分析

胡哲龍

摘要：本文通過對動車組頭部開閉機構進行有限元計算分析，優化了設計結構。對開閉機構在不同運行工況下的應力及位移結果進行了比較分析，并把仿真計算與試驗結果進行了對比，計算結果與試驗結果相一致。

關鍵詞：動車組開閉機構;設計優化;有限元計算

安全、快捷、舒適是現代軌道交通追求的三大目標。隨著列車的不斷提速，列車空氣阻力的影響越來越明顯，當列車時速超過160Km/h時，空氣阻力占總阻力的70%;當列車時速超過350Km/h時，空氣阻力占總阻力的90%以上。為了減少空氣阻力，高速列車的外型設計普遍采用流線型車體，并將車鉤等傳統列車產品上的一些外露設備、裝置安裝在車體的內部，然后在外頭安裝頭部端蓋。

開閉機構的主要用途是能使動車組在非正常牽引工況下進行調車作業時，流線型車頭蓋能方便地通過電控操作實現開啟、關閉，以實現與全自動車鉤聯接，而在正常運行時能保持動車頭蓋的關閉和自鎖，以保持良好的空氣動力學性能及外形平整美觀。該裝置可避免動車組進行調車作業時，只能卸下車頭蓋，調車作業之后再裝上車頭蓋，這樣既費時又費力，而且易損壞車頭蓋。而且在運輸高峰期時，通過該裝置能使兩列同樣的動車組前端的流線型車頭蓋開啟，以實現兩列動車組的重聯運行。本文通過對動車組頭部開閉機構進行有限元計算分析，對開閉機構在不同運行工況下的應力及位移結果進行了比較分析，并把仿真計算與試驗結果進行了對比，計算結果與試驗結果相一致。

1?有限元模型及邊界條件

有限元法是結構分析的一種數值計算方法，是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的應用和發展。[1]在進行結構強度計算過程中，有限元的計算可歸結為三大方程的聯合統一[2]，平衡方程、幾何方程和物理方程—彈性本構關系，靜力有限元平衡方程，其形式為：

模型中忽略了次要的圓角、倒角等細節，可以減小計算量，對所關心的計算結果不會產生較大影響，有限元模型如圖1，模型的網格采用線性殼單元和非協調實體線性單元，整個模型單元數為83748，節點數為107879。模型的裝配、前處理、計算及后處理通過ABAQUS實現。

模型中共有兩種材料Q235和Q345，它們的力學性能參數如表1所示。

2 計算載荷和約束條件

在開閉機構計算中所考慮的計算載荷主要包括：開閉機構本身的自重及各種工況下結構所受載荷。運行工況為分別為列車在350Km/h時速下明線單車、明線交會、隧道單車、隧道交會下開閉機構表面的空氣壓力，通過數值計算得到的各個載荷工況施加到四個安裝座集中點上，模型的邊界條件，在上面六個定位孔和下部位置采用全約束。

3開閉機構結構強度評定標準

開閉機構為鋼型材（Q235和Q345）的焊接結構。根據DIN EN 12663《鐵道車輛車體結構要求》規定，開閉機構應在各個工況的載荷綜合作用下，材料的許用應力與計算等效應力之比應不小于DIN EN 12663第3.4.2節中規定的安全系數S1 （規定中取S1 為1.15）。即：

4 計算結果

4.1位移結果

從四種工況的位移圖可知：工況4隧道交會開閉機構變形最大，為1.942mm，發生在右部懸臂下端。

4.2 Mises應力結果

4.3 結果分析

四種工況的變形結果和應力結果如下表2，3所示：

從以上的位移變形結果和效應力分析可知：工況4隧道交會時開閉機構主要部件的等效應力最大，且整個模型在工況4隧道交會變形最大，綜合變形和應力結果得到工況4條件最惡劣。所有模型在4種載荷工況下最大應力均未超過安全系數。

5試驗加載

為進一步驗證數值計算的準確性，本項目后期通過加載試驗所得數據與計算數據進行比較，數據基本吻合。

6結論

綜合上述分析可以得出以下結論：

1）對于開閉機構的各個部件，在四種載荷工況下的安全系數均高于DIN EN 12663第3.4.2節中規定的安全系數S1 （規定中取S1 為1.15），滿足強度要求;

2）開閉機構現場實測應力值與數值計算值相差不大，且大部分實測值與計算值有較好的一致性，進而說明數值計算結果的準確性;

參考文獻：

[1] Qi Fan. Computerized Modeling and Simulation of Spiral Bevel and Hypoid Gears Manufacture by Gleason Face Hobbing Process[J].Journal of Mechanical Design，2006，128：235-241

[2] 蘇向震，何江達，陳方竹.有限元計算中模型選擇對結果的影響.紅水河.2007，（2）：61-65.

[3] 張艷_基于HyperMesh的25型客車建模

[4]?UIC566 Loadings of coach bodies and their components

今創集團股份有限公司技術中心?江蘇?常州?213102