基于ANSYS的动车组水箱吊装结构强度分析

作者：安世亚太 高峰 赵文平

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 随着动车组运营速度的不断提升，其车上吊装结构的设计是否合理将关系着动车组的安全运行。本文在对动车组车内水箱吊装结构模型合理简化的基础上，利用 ANSYS软件对其进行了有限元模型的创建，并依据标准 EN12663 ，确定了其载荷工况，完成了对 C 型槽、滑块、联接螺栓的强度校核，其结果对水箱结构的设计及优化具有一定参考意义。 1 前言 随着动车组运营速度的不断提升，其运行的安全性、可靠性越来越受到人们的关注。由于动车组车上、车下吊装设备甚多，如果在列车高速运行中，结构一旦失效，造成的后果将难以估计。因此，吊装结构设计是否安全、可靠，对列车的安全服役具有重要意义。 本文利用大型有限元分析软件ANSYS，依据高速列车的相关标准，对动车组车内吊装水箱结构进行了强度分析计算，从而对结构设计的安全性及可靠性进行了校核与验证。 2 吊装水箱强度分析计算 本文计算分析的吊装水箱安装于车顶区域，用于给车内旅客供水。水箱上焊接有四个支架，每个支架上开两个长圆孔，整个水箱通过其上的支架用垫块（4个）、滑块（8个）、螺栓（8个）、垫片吊装于车顶铝型材C型槽内，安装示意图如图1-图2所示。 2.1 有限元模型建立 本文计算利用ANSYS WORKBENCH软件进行前处理建模及网格划分。其中，将车顶简化，只截取了吊装水箱的一段铝型材，其四周施加固定约束；水箱简化成质量单元，通过刚性元连接于水箱支架，如图3(a)所示；车顶、垫块、螺栓、滑块等部件采用六面体单元建模，有限元模型共包括927733个节点和197695个单元，如图3(b)所示。 2.2 材料属性 水箱吊装结构主要部件的材料参数如表1所示。 2.3 载荷工况 根据《EN12663：2000铁道应用—轨道车身的结构要求》标准，需对其施加的载荷如下： 1）车体纵向加速度：±3*g 2）车体横向加速度：±1*g 3）车体垂向加速度：（1±c）*g 其中：g为重力加速度，取g=9.810m/s^2；c为垂向动荷系数，悬吊装置安装在车辆端部时取c=2，在车辆中部时取c=0.5，此处取c=2。按上述载荷施加将出现8种组合工况，考虑到模型的对称性，可将工况简化为2种，如表2所示。 2.4 强度计算结果分析 2.4.1 车顶C型槽强度校核 车顶C型槽在两种工况下的应力云图如图4所示，从图中可以看出C型槽的最大应力为188.51MPa，发生在滑块吊装部位，小于其材料的许用应力215MPa，满足强度设计要求。 2.4.2 滑块内螺纹强度校核 水箱吊装螺栓规格为M12X110，螺距1.5，螺纹公差6g；依据标准ISO965-2，M12-6g外螺纹的螺纹大径尺寸为11.966~11.701mm，选取滑块上的内螺纹为M12-6H，则内螺纹的螺纹中径尺寸为11.063~10.863mm。 当滑块内螺纹在轴向载荷作用下所有螺牙被剪断时则认为螺纹失效，此时轴向载荷W为： W＝π*ｄ*C*Z*τ（1） 其中： C＝(P／2)＋(ｄ－D)tanα＝1.387~1.118mm Z＝(L－0.5P)／P＝11.5 ｄ：外螺纹大径＝11.966~11.701mm D：内螺纹中径＝11.063~10.863mm P：螺距＝1.5mm α：螺纹角＝30° L：滑块厚度＝18mm τ：滑块材料的剪切强度极限 由此，依据式（1）可求得W=184322~233850N，由于螺纹尺寸存在公差，则使螺纹失效的轴向载荷在184322~233850N之间，即螺栓上的轴向总载荷不应超过184322~233850N。 通过有限元计算可知，螺栓的最大轴向载荷为26497N，小于滑块内螺纹许用载荷，滑块满足强度设计要求。 2.4.3 螺栓联接强度校核 1）螺栓轴向应力校核 通过有限元计算可知，螺栓的最大轴向载荷为F=26497N；M12粗牙螺栓的公称应力面积As=84.3mm^2，根据机械设计手册，螺栓最大名义应力为： 由表1可知，A2-70螺栓的屈服强度为450MPa，螺栓的名义应力408.6MPa<450MPa，因此，螺栓满足强度设计要求。 2）横向滑动性校核 水箱吊装支座在表2所示的两种载荷工况下，其接触状态云图如图5、图6所示。从图中可以看出，螺栓垫片与水箱支座处于接触状态，结构整体未发生横向滑动，满足螺栓连接固结强度要求。 3 结论和展望 借助于ANSYS有限元分析软件，通过对动车组车内水箱吊装C型槽、吊装滑块及联接螺栓进行强度分析及校核，基本掌握了水箱吊装结构整体的应力水平及其安全余量，对结构吊装型式的改进优化具有一定的指导意义。 本文仅针对动车组车内水箱吊装结构静强度进行了简单分析计算。而对于车下吊装设备而言，由于动车组高速运行过程中，设备承受振动、冲击、气动压力等交变载荷，其工况更加复杂恶劣。因此，整个结构的疲劳可靠性更是至关重要，尤其是吊装结构关键焊缝的疲劳寿命分析。这些问题有待在今后工作中进一步探索和研究。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/29/2012)