孔德帥， 尚小菲， 金 哲， 李邦國， 吳 可， 張 寶

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062; 3 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

隨著綠色制造工程、節(jié)能及新能源車輛與航空航天裝備被納入“中國制造2025”，高鐵、汽車及航空航天等載運(yùn)工具制造領(lǐng)域也加快了輕量化進(jìn)程。所謂輕量化是指通過使用輕量化結(jié)構(gòu)、輕量化材料和輕量化工藝等手段以達(dá)到產(chǎn)品減重的目的。復(fù)興號是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，其最高運(yùn)營速度可達(dá)400 km/h。隨著列車運(yùn)營速度的提高，對零部件的要求也越來越高。制動(dòng)控制箱是安裝于車體構(gòu)架下方用于安裝制動(dòng)控制系統(tǒng)的電子控制單元和氣動(dòng)控制單元以及撒沙模塊、升弓控制模塊以及停放模塊等的箱體部件[1]。制動(dòng)控制箱體作為制動(dòng)系統(tǒng)各功能模塊的載體不僅需要良好的剛度強(qiáng)度和疲勞性能，又要減輕結(jié)構(gòu)自重以降低單位質(zhì)量所需要的功率，滿足列車高速運(yùn)營的要求。因此在保證結(jié)構(gòu)可靠的前提下，實(shí)現(xiàn)箱體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)對提高產(chǎn)品的競爭力具有重要意義[2]。

1 有限元模型

在原動(dòng)車組制動(dòng)控制箱體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用輕質(zhì)耐腐蝕的鋁合金材料替代原碳鋼材料以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制箱輕量化，為了保證箱體的剛度和強(qiáng)度并在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部加強(qiáng)。如表1所示，采用鋁合金材料后的制動(dòng)控制箱體與原設(shè)計(jì)相比減重達(dá)51%，減重效果明顯。

采用有限元分析軟件ABAQUS對箱體進(jìn)行建模與分析。制動(dòng)控制箱箱體及箱門為薄壁鈑金結(jié)構(gòu)，因此采用殼單元S4R進(jìn)行模擬。箱體內(nèi)安裝的各模塊利用位于各模塊重心的質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行等效，并通過MPC約束到安裝位置上，螺栓連接采用多點(diǎn)耦合的rigid進(jìn)行連接。整個(gè)模型共離散為89 250個(gè)單元，97 944個(gè)節(jié)點(diǎn)。約束前后吊梁上的6個(gè)螺栓安裝孔的所有自由度。模型所用材料屬性如表2所示，建立的有限元模型如圖1所示。

表1 不同材料箱體設(shè)計(jì)明細(xì)

圖1 制動(dòng)控制箱有限元模型

材料密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比屈服應(yīng)力/MPa5083鋁合金2.66×10369 0000.33142Q345E7.85×103210 0000.3345

2 結(jié)果分析

2.1 模態(tài)分析

利用ABAQUS求解器進(jìn)行求解，分別提取碳鋼和鋁合金制動(dòng)控制箱的前6階模態(tài)，其各階固有頻率如表3所示，由于鋁合金的彈性模量(69 GPa)遠(yuǎn)小于碳鋼(210 GPa)因此鋁合金箱體需要通過增加厚度對剛度進(jìn)行補(bǔ)償。計(jì)算表明通過厚度補(bǔ)償?shù)匿X合金箱體的各階固有頻率均小于碳鋼箱體，其中一階固有頻率降幅為15.8%，3階固有頻率值降幅最大達(dá)到36.8%。但均避開了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的高能量振動(dòng)頻率范圍(5～20 Hz)滿足其設(shè)計(jì)要求。

表3 不同材料制動(dòng)控制箱固有頻率

圖2 制動(dòng)控制箱有固有頻率及偏差

表4為不同材料制動(dòng)控制箱體各階振型，其中鋁合金箱體的1階和2階的振型分別為大小風(fēng)缸的振動(dòng)，因此該結(jié)構(gòu)剛性較差的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)缸的綁帶及支架。而鋁合金箱體的3階振型與碳鋼箱體的1階振型基本相同，且頻率也較為接近，這表明鋁合金箱體的框架的剛度基本達(dá)到碳鋼箱體框架剛度水平。

表4不同材料制動(dòng)控制箱各階振型

2.2 靜強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度分析

靜強(qiáng)度分析是指分析箱體在所有外掛模塊及自身質(zhì)量作用下的，箱體的靜強(qiáng)度狀態(tài)。沖擊強(qiáng)度分析是指箱體及所有外掛模塊在x,y,z3個(gè)方向承受不同的組合載荷的抗沖擊能力。沖擊載荷按照EN 12663《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》進(jìn)行，沖擊載荷見表5，沖擊載荷的組合工況見表6。

表5 沖擊載荷 g

表6 沖擊載荷組合工況 g

由于箱體處于車體中部，參照EN 12663標(biāo)準(zhǔn)c取0.5。

制動(dòng)控制箱體的靜強(qiáng)度分析的結(jié)果如圖3所示，制動(dòng)控制箱整體的最大應(yīng)力值為15.4 MPa，位于大風(fēng)缸支架與箱體接觸的區(qū)域，取安全系數(shù)為1.5，最大應(yīng)力小于σs/1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

抗沖擊強(qiáng)度的分析結(jié)果見表7，其中組合工況1的最大應(yīng)力值最大，最大應(yīng)力為44.6 MPa，安全系數(shù)為3.1，除ax=g工況外其余工況的應(yīng)力最大點(diǎn)的位置均位于風(fēng)缸支架與箱體焊接區(qū)域如圖4所示。當(dāng)ax=g工況時(shí)，應(yīng)力最大點(diǎn)位于分配閥模塊連接螺栓孔周邊處，如圖5所示，應(yīng)力最大值為33.5 MPa，安全系數(shù)為4.2。計(jì)算結(jié)果表明箱體的抗沖擊強(qiáng)度具有較大的裕度。

圖3 靜強(qiáng)度應(yīng)力云圖

工況載荷類型最大應(yīng)力部位最大應(yīng)力/MPa屈服應(yīng)力/MPa安全系數(shù)1縱向3g風(fēng)缸固定焊接處29.71424.72橫向1g分配閥模塊連接螺栓孔周邊處33.51424.23垂向1.5g風(fēng)缸固定焊接處23.11426.1組合工況1風(fēng)缸固定焊接處44.61423.1工況2風(fēng)缸固定焊接處43.41423.2工況3風(fēng)缸固定焊接處37.31423.8工況4風(fēng)缸固定焊接處44.41423.1

圖4 工況1的應(yīng)力云圖

圖5 橫向沖擊1g時(shí)的應(yīng)力云圖

2.3 疲勞強(qiáng)度分析

按照EN 12663標(biāo)準(zhǔn)，考核疲勞載荷的標(biāo)準(zhǔn)是使箱體承受縱向載荷ax=±0.15g,橫向載荷ay=±0.15g,垂向載荷az=-1±0.15g。在組合載荷情況下當(dāng)ax=0.15g，ay=0.15g，az=-1.14g時(shí)，箱體的最大應(yīng)力水平最大，其應(yīng)力云圖如圖6所示，其應(yīng)力最大處位于風(fēng)缸支架與箱體的焊接區(qū)域，最大應(yīng)力值為16 MPa。根據(jù)IIW《焊接接頭與補(bǔ)件的疲勞設(shè)計(jì)方法》鋁合金單邊焊T型接頭疲勞許用應(yīng)力為22 MPa，鋁板母材疲勞許用應(yīng)力為71 MPa。因此該制動(dòng)控制箱滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

圖6 應(yīng)力最大工況組合應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

(1) 與碳鋼箱體相比，采用鋁合金設(shè)計(jì)的制動(dòng)控制箱減重達(dá)51%，減重效果明顯。

(2) 通過模態(tài)分析表明，通過厚度補(bǔ)償?shù)匿X合金箱體的各階固有頻率均小于碳鋼箱體，其中1階固有頻率降幅為15.8%，3階固有頻率值降幅最大達(dá)到36.8%，但其固有頻率數(shù)值均大于隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的高能量振動(dòng)的頻率范圍(5～20) Hz，滿足剛度要求。

(3) 通過強(qiáng)度計(jì)算表明，輕量化設(shè)計(jì)的鋁合金箱體結(jié)構(gòu)在自重和沖擊載荷的條件下其應(yīng)力水平值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，因此箱體具有較高的靜強(qiáng)度儲備滿足設(shè)計(jì)要求。

(4) 計(jì)算結(jié)果表明輕量化設(shè)計(jì)的鋁合金箱體結(jié)構(gòu)在運(yùn)營載荷的情況下，其最大應(yīng)力值為16 MPa，小于材料的許用疲勞應(yīng)力，滿足疲勞強(qiáng)度要求。