动车水箱安装座的强度计算和结构改进

陈雪+杨磊

摘要： 为使动车上的水箱安装座具备足够的强度，以保证连接的可靠性，利用三维实体建模并用HyperWorks对水箱安装座进行有限元计算；依据EN 12663：2010标准对水箱安装座进行强度校核并针对不满足强度要求的部分进行结构改进.结果表明：改进后的模型设计能够满足EN 12663：2010的标准；CAE软件的应用为水箱安装座的结构设计提供参考.

关键词： 动车； 水箱安装座； 静强度； 强度校核； 有限元

中图分类号： U260.2；TB115.1文献标志码： B

引言

不锈钢水箱是铁路运输中必备的专业储水设备.为保证水箱与动车车体连接安全，其安装必须满足动车在复杂载荷作用下的强度要求.随着仿真技术在工程领域的不断发展，CAE的应用已成为产品设计阶段必不可少的技术手段.[12]本文以水箱安装座为例，利用有限元法和HyperWorks对其进行静强度计算并反馈指导设计，为校验设计的可行性及其方案的改进提供参考依据.

1有限元模型建立

1.1水箱安装座初始设计

不锈钢水箱为700 mm×400 mm×380 mm的箱形件，水箱满水时的总质量为186 kg.依据经验进行安装座的初始设计，其中箱体两侧的安装支座分别与动车车体的端墙和车顶固定.水箱和安装座的外观见图1.

图 1水箱和安装座的外观

Fig.1Appearance of water tank and its installation brackets

1.2坐标系确定

坐标系选取动车前进方向为x轴正方向（纵向），竖直向上为z轴正方向（垂向），y轴（与车辆横轴一致）以右手法则确定，见图2.

图 2坐标系

Fig.2Coordinate system

1.3材料设置和网格划分

水箱箱体为不锈钢板材，因为长度和宽度值远大于厚度，所以可采用壳单元进行模拟.[3]以厚度为2 mm的壳单元模拟箱体，水箱无水时的总质量为22 kg，水箱的材料为不锈钢SST316，其密度为7.85×103 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3.支座采用板材Al5A05，密度为2.7×103 kg/m3，弹性模量为70 GPa，泊松比为0.3.[46]支座与箱体的连接焊缝通过Rigid刚性单元模拟，支座间采用螺栓进行连接.利用HyperMesh对模型进行网格划分，为保证网格质量，壳单元以边长为10 mm的四边形为主、三角形为辅，共计17 605个单元，17 534个节点，有限元模型见图3.图 3有限元模型

Fig.3Finite element model

1.4载荷和边界条件

为校验设计的可行性，载荷需按照动车实际运行工况进行加载.在水箱满水时，因水的重力作用，水箱底部受到沿z轴负方向的压力，而水箱壁所受的水压呈三角线性分布，两者均可通过设置Pressure的参数对水压进行载荷模拟.同时，根据EN 12663：2010标准[7]以加速度形式对整个模型施加惯性载荷，6种工况见表1.结合水箱安装座的实际约束情况，在安装座与车体连接的8个螺栓处施加全约束.

表 1加载工况

Tab.1Loading conditions工况垂向加速度az横向加速度ay纵向加速度ax1-g3g2-g-3g3-gg4-g-g5-3g6g注：g为重力加速度，取值为9.81 m/s2

2有限元计算及结果分析

利用Radioss求解器对已完成前处理的模型进行求解，得到安装座的静强度统计结果，见表2.

表 2静强度统计结果

Tab.2Statistical results of static strength工况最大应力值/MPa屈服强度/MPa安全因数1113.601451.28268.801452.11364.461452.25462.711452.315136.901451.06645.631453.18

由表2可知：工况5（az=-3g）为最恶劣工况，且最大应力值为136.90 MPa，虽未超出材料的屈服强度，但安全因数为1.06，小于1.15，不满足EN 12663：2010标准，因此不符合强度要求，需要对该设计进行优化改进.该工况下最大应力的位置见图4，出现在下方支座螺栓孔附近.

图 4工况5应力云图，MPa

Fig.4Stress contour under working condition 5，MPa

由最大应力区域的云图可以看出，靠近螺栓孔的外侧应力明显大于内侧应力，说明支座依靠外侧肋板传力较大，因此可以通过削弱外侧肋板的受力，将受力途径向螺栓孔的内侧转移，从而达到降低螺栓孔外侧应力的目的.根据以上分析，可采取缩减下方支座肋板面积的方法对原设计进行改进，改进后的设计模型见图5.

图 5改进前后模型

Fig.5Models before and after improvement

3改进后模型重新校核

改进后的模型计算统计结果见表3，可知：经改进后的模型在工况5的最大应力由136.9 MPa降为124.8 MPa，安全因数为1.16>1.15，应力云图见图6；较大应力仍存在于工况1和工况5中，但6种工况均未达到屈服极限，且安全因数都能满足EN 12663：2010标准，符合强度条件，验证改进方案的可行性.

表 3改进后模型的静强度统计结果

Tab.3Statistical results of static strength of improved model工况最大应力值/MPa屈服强度/MPa安全因数1125.501451.16274.831451.94360.461452.40458.631452.475124.801451.16641.591453.49

图 6改进后模型的应力云图，MPa

Fig.6Stress contour of improved model，MPa

计算发现，优化改进后的模型不仅解决原支座的强度缺陷，使其强度满足设计要求，而且支座的质量由3.14 kg降为2.93 kg，节省原材料，降低成本.

4结束语

有限元计算显示，改进后的设计不仅能够满足动车运行中水箱安装座在不同工况下的静强度要求，而且节省原材料的使用，降低成本.可见，CAE软件的应用可在产品设计阶段为确定最优设计方案提供理论依据和数据支持.参考文献：

[1]杜宏云， 施红星. 计算机辅助工程（CAE）在汽车开发中的应用与展望[J]. 交通标准化， 2004（4）： 39 40.

DU Hongyun， SHI Hongxing. Apply and forecast Computer Aided Engineering （CAE） in development of vehicle[J]. Commun Standardization， 2004（4）： 39 40.

[2]侧卫， 微凉， 晓立. 国防CAE软件应用调查报告[J]. 航空制造技术， 2008（21）： 14.

Cewei， Weiliang， Xiaoli. Survey report of CAE software application in national defense[J]. Aeronautical Manufacturing Technol， 2008（21）： 14.

[3]李邦国， 王群伟， 孙栋栋， 等. 制动控制箱结构特性分析[J]. 铁道机车车辆， 2011， 31（5）： 105107.

LI Bangguo， WANG Qunwei， SUN Dongdong， et al. Structure characteristics analysis of brake control box[J]. Railway Locomotive & Car， 2011， 31（5）： 105107.[4]GB/T 2880.1—2006一般工业用铝及铝合金板、带材[S].

[5]王钰栋， 金磊， 洪清泉. HyperMesh & HyperView应用技巧与高级实例[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012： 5066.

[6]张胜兰， 郑冬黎， 郝琪， 等. 基于HyperWorks的结构优化设计技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007： 7990.

[7]EN 12663：2010Structural requirements of railway vehicle bodies[S].

（编辑 武晓英）

图 6改进后模型的应力云图，MPa

Fig.6Stress contour of improved model，MPa

计算发现，优化改进后的模型不仅解决原支座的强度缺陷，使其强度满足设计要求，而且支座的质量由3.14 kg降为2.93 kg，节省原材料，降低成本.

4结束语

有限元计算显示，改进后的设计不仅能够满足动车运行中水箱安装座在不同工况下的静强度要求，而且节省原材料的使用，降低成本.可见，CAE软件的应用可在产品设计阶段为确定最优设计方案提供理论依据和数据支持.参考文献：

[1]杜宏云， 施红星. 计算机辅助工程（CAE）在汽车开发中的应用与展望[J]. 交通标准化， 2004（4）： 39 40.

DU Hongyun， SHI Hongxing. Apply and forecast Computer Aided Engineering （CAE） in development of vehicle[J]. Commun Standardization， 2004（4）： 39 40.

[2]侧卫， 微凉， 晓立. 国防CAE软件应用调查报告[J]. 航空制造技术， 2008（21）： 14.

Cewei， Weiliang， Xiaoli. Survey report of CAE software application in national defense[J]. Aeronautical Manufacturing Technol， 2008（21）： 14.

[3]李邦国， 王群伟， 孙栋栋， 等. 制动控制箱结构特性分析[J]. 铁道机车车辆， 2011， 31（5）： 105107.

LI Bangguo， WANG Qunwei， SUN Dongdong， et al. Structure characteristics analysis of brake control box[J]. Railway Locomotive & Car， 2011， 31（5）： 105107.[4]GB/T 2880.1—2006一般工业用铝及铝合金板、带材[S].

[5]王钰栋， 金磊， 洪清泉. HyperMesh & HyperView应用技巧与高级实例[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012： 5066.

[6]张胜兰， 郑冬黎， 郝琪， 等. 基于HyperWorks的结构优化设计技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007： 7990.

[7]EN 12663：2010Structural requirements of railway vehicle bodies[S].

（编辑 武晓英）

图 6改进后模型的应力云图，MPa

Fig.6Stress contour of improved model，MPa

计算发现，优化改进后的模型不仅解决原支座的强度缺陷，使其强度满足设计要求，而且支座的质量由3.14 kg降为2.93 kg，节省原材料，降低成本.

4结束语

有限元计算显示，改进后的设计不仅能够满足动车运行中水箱安装座在不同工况下的静强度要求，而且节省原材料的使用，降低成本.可见，CAE软件的应用可在产品设计阶段为确定最优设计方案提供理论依据和数据支持.参考文献：

[1]杜宏云， 施红星. 计算机辅助工程（CAE）在汽车开发中的应用与展望[J]. 交通标准化， 2004（4）： 39 40.

DU Hongyun， SHI Hongxing. Apply and forecast Computer Aided Engineering （CAE） in development of vehicle[J]. Commun Standardization， 2004（4）： 39 40.

[2]侧卫， 微凉， 晓立. 国防CAE软件应用调查报告[J]. 航空制造技术， 2008（21）： 14.

Cewei， Weiliang， Xiaoli. Survey report of CAE software application in national defense[J]. Aeronautical Manufacturing Technol， 2008（21）： 14.

[3]李邦国， 王群伟， 孙栋栋， 等. 制动控制箱结构特性分析[J]. 铁道机车车辆， 2011， 31（5）： 105107.

LI Bangguo， WANG Qunwei， SUN Dongdong， et al. Structure characteristics analysis of brake control box[J]. Railway Locomotive & Car， 2011， 31（5）： 105107.[4]GB/T 2880.1—2006一般工业用铝及铝合金板、带材[S].

[5]王钰栋， 金磊， 洪清泉. HyperMesh & HyperView应用技巧与高级实例[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012： 5066.

[6]张胜兰， 郑冬黎， 郝琪， 等. 基于HyperWorks的结构优化设计技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007： 7990.

[7]EN 12663：2010Structural requirements of railway vehicle bodies[S].

（编辑 武晓英）