覃森

摘 要：文章通過(guò)對(duì)動(dòng)車組行李架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了動(dòng)車組行李架。對(duì)各種結(jié)構(gòu)及材料下行李架的應(yīng)力及位移結(jié)果進(jìn)行了比較，提出了行李架的優(yōu)化方案。討論了行李架中螺栓的選用，并把仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組行李架；優(yōu)化方案；螺栓選擇；有限元計(jì)算

中圖分類號(hào)：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）11-0094-02

動(dòng)車組行李架作為動(dòng)車內(nèi)裝的重要組成部分，分為三個(gè)主要部分：端部托架、型材框架和隔板，它們的鏈接方式有插接、螺釘連接等連接方式。具有強(qiáng)度高、防潮、防火、抗風(fēng)壓、抗地震、壽命長(zhǎng)及加工安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

隔板主要有玻璃隔板和PC隔板兩種，玻璃隔板剛度大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受力后變形量小。但玻璃的二次加工性能差，鋼化后無(wú)法進(jìn)行二次加工，且玻璃的尖角沖擊和自爆是無(wú)法避免的。

PC板密度小，質(zhì)量輕，加工性、可塑性好，受力變形后易恢復(fù)。但其硬度低，剛度小，使用時(shí)易出現(xiàn)劃痕。在受力狀態(tài)下，產(chǎn)品的變形較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求高。因此，合理選擇材料和結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)非常重要。

對(duì)于行李架的設(shè)計(jì)，兩個(gè)托架間的跨距非常重要，當(dāng)跨距在1 m左右時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)要求不高，容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但動(dòng)車組行李架一般跨距在2 m左右，因此，對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要，特別是要考慮行李架在中部的變形。其次，應(yīng)該選擇合適的螺栓以滿足靜態(tài)強(qiáng)度及疲勞要求。

1 有限元模型及邊界條件

有限元法是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程中，有限元的計(jì)算可歸結(jié)為三大方程的聯(lián)合統(tǒng)一，平衡方程、幾何方程和物理方程—彈性本構(gòu)關(guān)系，靜力有限元平衡方程，其形式為：

由于行李架部件多，建模工作量大，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化以減少計(jì)算量。因此計(jì)算模型中忽略了較小的圓角、倒角等細(xì)節(jié)，忽略這些元素不會(huì)對(duì)所關(guān)心的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，但可以大大減小計(jì)算量，提高工作效率。模型中端部托架采用的是六面實(shí)體單元，其余部件采用殼單元?jiǎng)澐?。整個(gè)模型的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別約為10萬(wàn)，11萬(wàn)。離散后的行李架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示，模型的邊界條件如圖2所示，在托架端部和車體的連接部位采用全約束。

2 計(jì)算載荷

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算載荷工況考慮變形最大的一種工況：

行李架均布載荷1 000 N/m，前型材中部850 kg集中力+模型自重。

3 動(dòng)車組行李架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)DINEN 12663《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定，動(dòng)車組行李架結(jié)構(gòu)應(yīng)在各個(gè)工況的載荷綜合作用下，材料的許用應(yīng)力與計(jì)算等效應(yīng)力之比應(yīng)不小于DINEN 12663第3.4.2節(jié)中規(guī)定的安全系數(shù)S（若材料許用應(yīng)力值取其屈服應(yīng)力值進(jìn)行校核，則S1為1.15，若材料許用應(yīng)力值取其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校核，則S2為1.5）。即：

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 位移結(jié)果

型材和托架為鋁合金，隔板分別為鋼化玻璃和PC板的位移云圖如圖3、圖4所示，從位移云圖上可以看到：鋼化玻璃的位移為15.21 mm，PC板的位移為15.99 mm。

型材和托架為鎂合金，隔板分別為鋼化玻璃和PC板的位移云圖如圖5、圖6所示，從位移云圖上可以看到：鋼化玻璃的位移為23 mm，PC板的位移為24.15 mm。

型材和托架為鋁合金，隔板分別為鋼化玻璃和PC板的位移云圖如圖7、圖8所示，與圖3和圖4不同的是，前型材的抗彎截面系數(shù)變小了。從位移云圖上可以看到：鋼化玻璃的位移為40.41 mm，PC板的位移為69.27 mm。

從以上分析可知，在相同載荷條件下，PC隔板的位移比鋼化玻璃要大，鎂合金的位移比鋁合金位移更大。需要特別指出的是，前后型材的抗彎截面系數(shù)直接決定行李架的位移量，特別是前型材的抗彎截面系數(shù)的影響最為明顯。

4.2 最大等效應(yīng)力結(jié)果

通過(guò)計(jì)算得到每個(gè)主要部件的應(yīng)力云圖分布及最大等效力，現(xiàn)僅列出關(guān)鍵部件的最大應(yīng)力云圖分布，型材和托架為鋁合金、隔板為鋼化玻璃、前型材抗彎截面系數(shù)較大情況下的應(yīng)力云圖如圖9、圖10所示。型材和托架為鋁合金，隔板為PC板、前型材抗彎截面系數(shù)較小情況下的應(yīng)力云圖如圖11、圖12所示。從圖中可以看出，當(dāng)前型材的位移量較小時(shí)，托架和框架型材的強(qiáng)度能滿足要求。當(dāng)前型材的位移量較大時(shí)，托架和框架型材的強(qiáng)度不足。因此，前型材的位移量影響托架和型材的應(yīng)力大小，而前型材的位移量又是由其抗彎截面系數(shù)決定。

4.2 螺栓的選用

對(duì)于行李架中螺栓的選用，需要特別關(guān)注的是型材與托架的螺栓，托架與車體連接的螺栓。筆者經(jīng)過(guò)大量仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：型材與托架的連接可以選用M5及以上的螺栓。托架與車體連接的螺栓最好選用M8及以上的螺栓，也可以選用高等級(jí)的M6螺栓。

5 結(jié) 語(yǔ)

①PC隔板的位移比鋼化玻璃要大，鎂合金的位移比鋁合金位移更大。前后型材的抗彎截面系數(shù)直接決定行李架的位移量，特別是前型材的抗彎截面系數(shù)的影響最為明顯。因此，在設(shè)計(jì)行李架時(shí)需要綜合考慮，如果對(duì)行李架變形要求高，就需要選用抗彎截面系數(shù)較大的型材。

②前型材的位移量影響托架和型材的應(yīng)力大小，而前型材的位移量由其抗彎截面系數(shù)決定。當(dāng)前型材的變形量較大時(shí)，對(duì)托架結(jié)構(gòu)需要更高的設(shè)計(jì)要求。

③型材與托架的連接可以選用M5及以上的螺栓。托架與車體連接的螺栓最好選用M8及以上的螺栓，也可以選用高等級(jí)（如10.9級(jí)、12.9級(jí)）的M6螺栓。

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