动车组行李架结构设计优化与仿真分析

覃森

摘 要：文章通过对动车组行李架结构有限元计算分析，优化设计了动车组行李架。对各种结构及材料下行李架的应力及位移结果进行了比较，提出了行李架的优化方案。讨论了行李架中螺栓的选用，并把仿真计算与试验结果进行了对比，计算结果与试验结果相一致。

关键词：动车组行李架；优化方案；螺栓选择；有限元计算

中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）11-0094-02

动车组行李架作为动车内装的重要组成部分，分为三个主要部分：端部托架、型材框架和隔板，它们的链接方式有插接、螺钉连接等连接方式。具有强度高、防潮、防火、抗风压、抗地震、寿命长及加工安装方便等优点。

隔板主要有玻璃隔板和PC隔板两种，玻璃隔板刚度大，内部结构稳定，受力后变形量小。但玻璃的二次加工性能差，钢化后无法进行二次加工，且玻璃的尖角冲击和自爆是无法避免的。

PC板密度小，质量轻，加工性、可塑性好，受力变形后易恢复。但其硬度低，刚度小，使用时易出现划痕。在受力状态下，产品的变形较大，对结构的要求高。因此，合理选择材料和结构的合理设计非常重要。

对于行李架的设计，两个托架间的跨距非常重要，当跨距在1 m左右时对设计要求不高，容易达到设计要求。但动车组行李架一般跨距在2 m左右，因此，对其结构的设计尤为重要，特别是要考虑行李架在中部的变形。其次，应该选择合适的螺栓以满足静态强度及疲劳要求。

1 有限元模型及边界条件

有限元法是结构分析的一种数值计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用和发展。在进行结构强度计算过程中，有限元的计算可归结为三大方程的联合统一，平衡方程、几何方程和物理方程—弹性本构关系，静力有限元平衡方程，其形式为：

由于行李架部件多，建模工作量大，需对模型进行简化以减少计算量。因此计算模型中忽略了较小的圆角、倒角等细节，忽略这些元素不会对所关心的计算结果产生影响，但可以大大减小计算量，提高工作效率。模型中端部托架采用的是六面实体单元，其余部件采用壳单元划分。整个模型的单元数和节点数分别约为10万，11万。离散后的行李架结构有限元模型如图1所示，模型的边界条件如图2所示，在托架端部和车体的连接部位采用全约束。

2 计算载荷

根据标准：计算载荷工况考虑变形最大的一种工况：

行李架均布载荷1 000 N/m，前型材中部850 kg集中力+模型自重。

3 动车组行李架结构强度评定标准

根据DINEN 12663《铁道车辆车体结构要求》规定，动车组行李架结构应在各个工况的载荷综合作用下，材料的许用应力与计算等效应力之比应不小于DINEN 12663第3.4.2节中规定的安全系数S（若材料许用应力值取其屈服应力值进行校核，则S1为1.15，若材料许用应力值取其抗拉强度进行校核，则S2为1.5）。即：

4 计算结果

4.1 位移结果

型材和托架为铝合金，隔板分别为钢化玻璃和PC板的位移云图如图3、图4所示，从位移云图上可以看到：钢化玻璃的位移为15.21 mm，PC板的位移为15.99 mm。

型材和托架为镁合金，隔板分别为钢化玻璃和PC板的位移云图如图5、图6所示，从位移云图上可以看到：钢化玻璃的位移为23 mm，PC板的位移为24.15 mm。

型材和托架为铝合金，隔板分别为钢化玻璃和PC板的位移云图如图7、图8所示，与图3和图4不同的是，前型材的抗弯截面系数变小了。从位移云图上可以看到：钢化玻璃的位移为40.41 mm，PC板的位移为69.27 mm。

从以上分析可知，在相同载荷条件下，PC隔板的位移比钢化玻璃要大，镁合金的位移比铝合金位移更大。需要特别指出的是，前后型材的抗弯截面系数直接决定行李架的位移量，特别是前型材的抗弯截面系数的影响最为明显。

4.2 最大等效应力结果

通过计算得到每个主要部件的应力云图分布及最大等效力，现仅列出关键部件的最大应力云图分布，型材和托架为铝合金、隔板为钢化玻璃、前型材抗弯截面系数较大情况下的应力云图如图9、图10所示。型材和托架为铝合金，隔板为PC板、前型材抗弯截面系数较小情况下的应力云图如图11、图12所示。从图中可以看出，当前型材的位移量较小时，托架和框架型材的强度能满足要求。当前型材的位移量较大时，托架和框架型材的强度不足。因此，前型材的位移量影响托架和型材的应力大小，而前型材的位移量又是由其抗弯截面系数决定。

4.2 螺栓的选用

对于行李架中螺栓的选用，需要特别关注的是型材与托架的螺栓，托架与车体连接的螺栓。笔者经过大量仿真计算及实验结果得出：型材与托架的连接可以选用M5及以上的螺栓。托架与车体连接的螺栓最好选用M8及以上的螺栓，也可以选用高等级的M6螺栓。

5 结 语

①PC隔板的位移比钢化玻璃要大，镁合金的位移比铝合金位移更大。前后型材的抗弯截面系数直接决定行李架的位移量，特别是前型材的抗弯截面系数的影响最为明显。因此，在设计行李架时需要综合考虑，如果对行李架变形要求高，就需要选用抗弯截面系数较大的型材。

②前型材的位移量影响托架和型材的应力大小，而前型材的位移量由其抗弯截面系数决定。当前型材的变形量较大时，对托架结构需要更高的设计要求。

③型材与托架的连接可以选用M5及以上的螺栓。托架与车体连接的螺栓最好选用M8及以上的螺栓，也可以选用高等级（如10.9级、12.9级）的M6螺栓。

参考文献：

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[2] 苏向震，何江达，陈方竹.有限元计算中模型选择对结果的影响[J].红水河，2007，（2）.