石拓,張久福,王群

(長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安　710064)

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基于ANSYS的高速列車塞拉門可靠性研究

石拓,張久福,王群

(長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064)

以高速列車塞拉門為研究對(duì)象，研究塞拉門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)特性并對(duì)塞拉門進(jìn)行靜態(tài)分析。基于空氣動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)列車塞拉門進(jìn)行在不同工況下的對(duì)比分析，驗(yàn)證了所建立模型的合理性，并著重研究了列車在隧道中高速行駛的情況下空氣對(duì)列車塞拉門可靠性的影響?？梢詾楦咚倭熊嚾T的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

高速列車塞拉門;可靠性;空氣動(dòng)力學(xué)

塞拉門作為乘客與車體的必經(jīng)通道，其安全性是保證乘客安全的首要且最基本條件。伴隨著我國高速鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，其安全性更是衡量軌道車輛安全性的重要指標(biāo)[1-2]。高速列車的運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，其行駛時(shí)特別是高速行駛過程中車體受到各種因素的影響，因此對(duì)車輛塞拉門提出了更高的可靠性和密封性要求。設(shè)計(jì)制造可靠性高、體積小、密封性好的塞拉門系統(tǒng)對(duì)高速列車的發(fā)展至關(guān)重要。

1　塞拉門強(qiáng)度試驗(yàn)

一般來說，高速列車有正常行駛和會(huì)車兩種情況,因此塞拉門結(jié)構(gòu)需要承擔(dān)2 500 N/m2加上1 000 N集中載荷以及+/-6 000 N/m2加上1 000 N的集中負(fù)載。

1)通過6個(gè)氣缸垂直地壓在3塊均勻分布在門扇上的剛性木板(寬度200 mm、長度850 mm)上模擬2 500 N/m2(6 000 N/m2)的壓力負(fù)載，見圖1的F1～F6。木板的定位方法應(yīng)能滿足負(fù)載也施加在窗體上。

2)通過另一個(gè)氣缸將一塊100 mm×100 mm的板壓在門扇上實(shí)現(xiàn)另外的1 000 N的垂直壓力。測(cè)試的實(shí)際組成允許集中壓力僅僅加載到門扇的幾個(gè)區(qū)域之上。選擇了最不利的位置并將力施加到窗體上，見圖1的F7。

3)施加的負(fù)載由安裝在氣缸和木板之間的負(fù)載傳感器監(jiān)控門扇的運(yùn)動(dòng)，通過10個(gè)測(cè)量點(diǎn)探測(cè)變形。檢測(cè)過程分別記錄加載之前各傳感器的數(shù)值、加載之后各傳感器的數(shù)值及卸載之后各傳感器的數(shù)值。測(cè)量從外部進(jìn)行。通過使用沿門系統(tǒng)安裝固定的棒體測(cè)量門與棒體之間的距離。

4)塞拉門的寬度為1 100 mm，高度為2 350 mm,則所需的負(fù)載對(duì)應(yīng)的合力F=6 462.5 N(15 510 N)，每一個(gè)氣缸的壓力為1 077 N(2 585 N)，作用在窗體上的合力為1 000 N 。

2　塞拉門系統(tǒng)的靜載荷性能分析

2.1塞拉門模型的邊界條件及載荷條件

由于塞拉門結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，選用的單元為實(shí)體Solid95單元。Solid95單元是3-D 8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid45的高階單元，能適應(yīng)不規(guī)則的幾何形狀同時(shí)不降低計(jì)算精度?？紤]到塞拉門結(jié)構(gòu)的零部件較多，不能完全粘合在一起，因此采用耦合技術(shù)。通過節(jié)點(diǎn)與單元之間生成的約束方程實(shí)現(xiàn)零部件之間的聯(lián)接，結(jié)果表明兩零部件的銜接處位移是完全連續(xù)的，雖然應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生微小的躍變，但并不影響整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)力分布[3]。為了驗(yàn)證有限元模型的正確性，必須首先對(duì)塞拉門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，然后與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。找出理論與試驗(yàn)的誤差，進(jìn)而對(duì)有限元模型進(jìn)行必要的修正[4-6]。

在側(cè)架與車體連接的地方施加全自由度約束。在門板的內(nèi)側(cè)與空氣接觸的表面施加6 000 Pa的壓力，方向垂直門板向外，施加時(shí)需要注意與面的法線方向一致，否則要進(jìn)行調(diào)整，在中空玻璃相應(yīng)位置施加1 000 N的集中載荷。

2.2靜載荷仿真分析及和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

通過對(duì)塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)分析，設(shè)定分析類型為靜態(tài)，采用默認(rèn)求解器。求解結(jié)束后查看結(jié)果，并與采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。最大位移發(fā)生在中空玻璃的正中央，為5.61 mm，這是因?yàn)椴Ａе醒胧芰^大的緣故(1 000 N集中力加6 000 Pa壓強(qiáng))。由于在前檔相應(yīng)位置固定了5個(gè)點(diǎn)，因此前檔幾乎沒有變形。后檔與主(輔助)鎖鎖頭采用了剛性連接，因此也沒有太大的變形。同時(shí)可以看到，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和整個(gè)側(cè)架剛性相當(dāng)好，幾乎沒有變形。表1是仿真計(jì)算得到的位移和試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)的對(duì)比。

表1　理論與試驗(yàn)位移數(shù)據(jù)對(duì)比　單位：mm

理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)總體分布趨勢(shì)一致，但兩者之間存在一定的差異。這種差異主要是門板與車體的連接除了上部與攜門架采用的是剛性連接外，其余各點(diǎn)采用的是摩擦連接。中間的主鎖與鎖扣的連接雖然采用的是彎鉤搭接形式，但加載之前存在一定的間隙，并沒有緊密接觸。因此整個(gè)門板存在一定量的整體剛體位移，估計(jì)約為1 mm。

通過對(duì)塞拉門系統(tǒng)的靜態(tài)計(jì)算，對(duì)比分析理論值與試驗(yàn)值，證明有限元模型的正確性，因此可以對(duì)門系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析。

3　列車穿越隧道時(shí)塞拉門系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)性能分析

圖2　車體及隧道有限元模型

在ANSYS中建立列車和隧道空氣動(dòng)力學(xué)模型并設(shè)置邊界條件進(jìn)行分析，如圖2所示。

通過計(jì)算分別得到列車車速為300、350和400 km/h穿越隧道時(shí)的車門外部壓力分布，如圖3所示，由于設(shè)定初始條件時(shí)定義了參考?jí)簭?qiáng)為101 kPa，所以圖3中壓力即為車門內(nèi)外的壓差(圖中單位為Pa)。

由圖3可以看到，當(dāng)高速列車以300、350和400 km/h的速度正常穿越隧道時(shí)，壓力分布分別為-1 082.36～-537.23、-1 486.35～-742.375和-1 955.89～-982.01 Pa，不同速度工況下壓力分布趨勢(shì)幾乎一樣，都為負(fù)壓，即門板承受由車內(nèi)向車外方向的壓力作用。整個(gè)門板的上部壓力較大，梯度也較大，下部壓力較小，梯度也較小[7]。

a) 300 km/h　　　　　　　　　　　　b) 350 km/h　　　　　　　　　　　　　c) 400 km/h圖3　塞拉門外部壓力分布圖

4　流固耦合模型的建立及求解

考慮到門板的剛度較大，其變形量不足以影響流體的流動(dòng)狀態(tài)，在耦合過程中可以忽略流體變形，即在流體分析時(shí)把門板當(dāng)成剛體，設(shè)置成壁面邊界條件Wall。通過上述流體分析提取車門表面壓力，然后施加到塞拉門結(jié)構(gòu)模型中。塞拉門外部耦合壓力效果圖如圖4所示[8]。

由于列車以400 km/h速度穿越隧道時(shí)工況最為惡劣，所以僅分析此工況下的應(yīng)力結(jié)果。經(jīng)分析，塞拉門在400 km/h工況下，最大位移位于中空玻璃的正中間(1 000 N集中力與耦合壓力一起作用)，為2.222 mm。表2為各測(cè)點(diǎn)位移[9-11]。

圖4　塞拉門外部耦合壓力效果圖

表2測(cè)點(diǎn)位移分布單位：mm

測(cè)點(diǎn)序號(hào)位移10.10320.33030.32440.25850.111測(cè)點(diǎn)序號(hào)位移60.09170.28980.38190.240100.104

由表2位移分布圖可以看到，當(dāng)對(duì)整個(gè)蒙皮施加6 000 Pa的平均壓強(qiáng)時(shí)，相比其它各測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)8位移比較大。而對(duì)整個(gè)蒙皮施加耦合壓力時(shí)，測(cè)點(diǎn)8并沒有這個(gè)特征?？傮w而言，施加耦合壓力時(shí)，整個(gè)塞拉門系統(tǒng)的位移分布是比較平順的。

實(shí)際上，安裝在列車上的塞拉門并不是與車體表面完全平齊。因此，為了對(duì)比這些區(qū)別，對(duì)車門系統(tǒng)取如下3種模型：1)完全齊平；2)車門向內(nèi)凹進(jìn)30 mm;3)車門向外凸出30 mm，工況為最不利工況,即列車在隧道中以400 km/h正常行駛,進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)比分析。

速度為400 km/h時(shí)正常穿越隧道的塞拉門外部壓力分布圖如圖5所示(圖中單位為Pa)。結(jié)合圖3c)，不同車門安裝模型的空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)比結(jié)果，如表3所示。

由表3可以看出，在列車以400 km/h的速度高速行駛時(shí)，模型1即車門與車體表面完全平齊時(shí)能極大的減小車門的承載壓力。模型2和模型3的壓力幅度變化都比較大，分別為4 941 Pa和3 469.5 Pa，而模型1僅為973 Pa，因此模型1的受力分布比較均勻。同時(shí)模型2車門受到了比較大的扭轉(zhuǎn)，門板的前部受到向外的力，門板后部受到向內(nèi)的力，受力嚴(yán)重不均衡，對(duì)門板的強(qiáng)度和剛度影響很大，所以在設(shè)計(jì)中要盡量避免。模型3雖然分布的都是負(fù)壓，但是壓力較大，門板前部壓力梯度較大，受力同樣不均勻，因此也不可取，設(shè)計(jì)中同樣要避免。綜合比較可以得出模型1，即車門與列車車體表面完全平齊是最合理的[12-15]。

a) 門內(nèi)凹　　　　　　　　　　　　　b) 門外凸圖5　400 km/h速度下門的壓力分布圖

表3不同車門安裝模型的空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)比

模型下限壓力/Pa上限壓力/Pa與車體表面平齊-1956-982向車內(nèi)凹進(jìn)30mm-32521689向車外凸出30mm-4096-627

5　結(jié)語

驗(yàn)證了高速列車塞拉門模型的正確性，通過對(duì)列車運(yùn)行在隧道中時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析，分析了在不同工況下空氣對(duì)于塞拉門可靠性的影響，并進(jìn)一步研究了列車在最不利條件下塞拉門與車體的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)于塞拉門可靠性等影響?？梢詾槿T的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)及支持。

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(責(zé)任編輯：郭守真)

Study on Reliability of High-Speed Train Sliding-Plug Door Based on ANSYS

SHITuo，ZHANGJiufu，WANGQun

(SchoolofMechanicalEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)

Taking the high-speed train sliding-plug door as research object,the structural characteristics and mechanical properties of the sliding-plug doors are discussed and analyses of sliding-plug doors under static conditions are conducted. Based on the theory of aerodynamics, the high-speed train sliding-plug door under different conditions is comparatively analyzed. In particular, the effect of air on sliding-plug door reliability is focused on when the train is passing the tunnel at high speed, which provides a theoretical support for the design of high-speed train sliding-plug door.

sliding-plug door of high-speed train; reliability; aerodynamics

2016-01-04

石拓(1990—)，男，西安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镃AD/CAE/CAM，E-mail: 853841060@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.03.015

U270.384

A

1672-0032(2016)03-0082-05