周博，陳征

(大連交通大學(xué) 動(dòng)車運(yùn)用與維護(hù)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0　引言

輕軌、地鐵的迅速普及，在給旅客提供了方便快捷交通工具的同時(shí)，還必須保證車輛在工作狀態(tài)下的安全可靠.輔助逆變器作為車輛的轉(zhuǎn)換電能的裝置，其主要功能是為車輛的制冷系統(tǒng)以及多種控制回路進(jìn)行供電，為了提升車廂內(nèi)部空間的利用率，通常將該設(shè)備置于車輛的底部，其吊裝結(jié)構(gòu)則成為重要的承載部件.逆變器吊裝部件的應(yīng)力分布和變形情況將直接關(guān)系到車輛的安全運(yùn)行，如果在車輛高速運(yùn)行期間，吊裝部件中的各個(gè)部件連接處發(fā)生斷裂，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故，最終結(jié)果將直接危及到車輛內(nèi)乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以針對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)工況下對(duì)吊裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形的研究，在保證車輛安全運(yùn)行方面來說有著重要的意義[1- 4].

本文以某新型地鐵車輛底部吊裝結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，參考《EN 12663- 1- 2010鐵路應(yīng)用設(shè)施.鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求.機(jī)車和客用車》，利用有限元仿真軟件ANSYS，進(jìn)行了逆變器吊裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布以及變形分析校核，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況下吊裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與變形狀況，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià).

1　逆變器吊裝結(jié)構(gòu)有限元模型

本文中的逆變器安置于地鐵車廂的底部，總重量為965 kg，使用螺栓剛性固定在車下C型槽上.通過吊耳(6個(gè))、螺栓(24個(gè)M10螺栓、16個(gè)M16螺栓)、橡膠墊等與車底架連接，逆變器吊裝結(jié)構(gòu)的幾何模型如圖1所示，連接結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1逆變器吊裝結(jié)構(gòu)正視圖圖2吊裝連接結(jié)構(gòu)圖

1.1　建立有限元模型

利用有限元仿真軟件ANSYS建立逆變器的有限元模型，為了保證仿真結(jié)果的可靠性和計(jì)算期間的斂散性，在劃給網(wǎng)格之前針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，本文根據(jù)逆變器吊裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分析的目的，有限元模型采用空間四節(jié)點(diǎn)板殼單元(Shell 181)和梁?jiǎn)卧?Beam 186)混合建模的方式.其中，吊裝結(jié)構(gòu)主要以四節(jié)點(diǎn)板殼單元為主通過剛性連接(Rigids)的方式與與之相連的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行連接，與實(shí)體單元相比，板殼單元由于結(jié)合考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，因此，其具有更高的計(jì)算精度，螺栓連接結(jié)構(gòu)部分則處理成為梁?jiǎn)卧?，也通過剛性連接(Rigids)的方式也C型槽和吊耳進(jìn)行銜接[5].

逆變器的有限元模型中單元總數(shù)為207 209個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為227 697個(gè).逆變器結(jié)構(gòu)的有限元整體模型如圖3所示，局部模型如圖4所示.

圖3逆變器結(jié)構(gòu)的有限元整體模型圖4逆變器結(jié)構(gòu)的有限元局部模型

1.2　材料屬性

吊裝結(jié)構(gòu)主要部件的材料參數(shù)如表1所示.

表1　主要部件的材料參數(shù)

1.3　載荷加載

參考《EN 12663- 1- 2010鐵路應(yīng)用設(shè)施.鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求.機(jī)車和客用車》，本次仿真的有限元模型按照以下八種工況進(jìn)行計(jì)算，其中g(shù)代表重力加速度，取值g=9.8 m/s2如表2所示.

表2　靜強(qiáng)度分析工況

2　吊裝結(jié)構(gòu)有限元仿真結(jié)果分析

通過對(duì)不同工況下逆變器吊裝結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析，可知：由于螺栓連接吊座將設(shè)備緊固于車體底架，為主要承力結(jié)構(gòu)，因此吊座附近為應(yīng)力較高區(qū)域，向下(設(shè)備框架)、向上(車體底架)逐漸過渡.吊座應(yīng)力總體分布均勻合理，在給定載荷工況下應(yīng)力均小于材料屈服應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求.表3、表4給出了不同工況下吊座最大應(yīng)力分布、吊座焊縫強(qiáng)度及評(píng)估結(jié)果.

表3　各工況最大應(yīng)力及強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

表4　各工況焊接縫強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

(a) 整體應(yīng)力云圖 (b) 整體位移云圖

(c) 局部應(yīng)力云圖 (d) 局部焊縫處應(yīng)力云圖

圖5工況1作用下的結(jié)果云圖

(a) 整體應(yīng)力云圖 (b) 整體位移云圖

(c) 局部應(yīng)力云圖(d) 局部焊縫處應(yīng)力云圖

圖6工況2作用下的結(jié)果云圖

(a) 整體應(yīng)力云圖 (b) 整體位移云圖

(c) 局部應(yīng)力云圖(d) 局部焊縫處應(yīng)力云圖

圖7工況4作用下的結(jié)果云圖

根據(jù)表3所示，吊座最大應(yīng)力大于160 MPa且小于屈服強(qiáng)度的的工況只有工況1、工況2和工況4，且同樣都出現(xiàn)在吊座圓孔處，局部應(yīng)力云圖結(jié)果如圖5(c)、6(c)、圖7(c)所示，而根據(jù)表4可知吊座焊接應(yīng)力超過90 MPa且小于屈服強(qiáng)度的工況也同樣是以上的提到的三個(gè)工況，局部焊縫處的最大應(yīng)力云圖如圖5(d)、6(d)、圖7(d)所示.

3　吊裝結(jié)構(gòu)螺栓受力分析

地鐵車輛底部輔助逆變器由30枚螺栓連接于車體底架，其中M10×24、M16×6，性能等級(jí)為A4- 70，螺栓的屈服極限為450 MPa.螺栓在八種載荷工況作用下，螺栓的許用應(yīng)力為[σ]=σs/n，安全系數(shù)：n=1.2～1.5.

3.1　螺栓總拉力及預(yù)緊力計(jì)算

螺栓在安裝時(shí)，每個(gè)螺栓受有預(yù)緊力Qp，當(dāng)承受軸向工作載荷F后，由于螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力不等于預(yù)緊力Qp和工作拉力F之和；而是與Qp，F(xiàn)和螺栓剛度CL，被連接件的剛度CF有關(guān)，當(dāng)應(yīng)變?cè)趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)，各零件受力可根據(jù)靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行分析.因此，螺栓的總拉力等于預(yù)緊力加上部分工作載荷，即：

對(duì)于一定公稱直徑d的螺栓，當(dāng)螺栓的擰緊力矩T已知時(shí)，可確定螺栓的預(yù)緊力，即：

Qp≈T/(0.2d)

性能等級(jí)為A4- 70，螺栓M10×24，其預(yù)緊力矩T為37 N·m，螺栓M16×6，其預(yù)緊力矩T為155 N·m.

3.2　螺栓總拉力及預(yù)緊力計(jì)算

參照吊裝結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果，得出八個(gè)個(gè)工況下三十個(gè)螺栓的受力及評(píng)估結(jié)果，其中工況1下的螺栓工作拉力大于0N的結(jié)果如表5.

考慮到螺栓連接吊座將設(shè)備緊固于車體底架，為主要承力結(jié)構(gòu).從有限元分析結(jié)果來看，吊座附近為應(yīng)力較高區(qū)域，向下(設(shè)備框架)、向上(車體底架)逐漸過渡.吊座應(yīng)力總體分布均勻合理，在給定載荷工況下應(yīng)力均小于材料屈服應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求，螺栓布置合理.

表5　計(jì)算工況1螺栓受力評(píng)估結(jié)果表

表5　計(jì)算工況1螺栓受力評(píng)估結(jié)果表(續(xù))

4　結(jié)論

借用有限元數(shù)值仿真的方式對(duì)某新型地鐵車輛底部逆變器吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，基本掌握了逆變器吊裝結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布、變形程度以及安全裕量，仿真結(jié)果顯示該吊裝結(jié)果滿足強(qiáng)度要求，具備良好的承載能力.

本文僅針對(duì)地鐵車輛下逆變器吊裝結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了初步的分析與計(jì)算.而考慮到列車在高速運(yùn)行期間，車輛下的各種設(shè)備同時(shí)承受包括扭振、瞬態(tài)沖擊、氣體壓力等多種交變載荷，其外載荷變得更加多樣.所以，針對(duì)整個(gè)鋁合金車體結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性問題的研究則顯得更為重要，尤其是在車輛底部的吊裝結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊縫的疲勞壽命與銜接件螺栓的疲勞壽命分析.這些問題需要在今后的日常工作中進(jìn)行進(jìn)一步的探索與研究.

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