高速动车组废水箱模态与冲击仿真分析

高速动车组废水箱模态与冲击仿真分析

赵子豪，刘韶庆，王万静，王宗正

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司国家高速动车组总成工程技术研究中心，山东青岛266111)

摘要：高速动车组运行时产生的剧烈振动对废水箱等车下吊挂设备的结构安全可靠性会带来不利影响。对废水箱进行空箱、半箱水和满箱水的模态计算，并对装满水的废水箱进行三向冲击载荷条件下的强度计算。计算结果表明，随着废水箱内水量的增加，其固有频率会逐渐减小；在三向冲击载荷条件下，车下废水箱的强度能够满足设计运用要求。

关键词:废水箱冲击模态强度

中图分类号：U266.2文献标识码：A

作者简介：赵子豪(1985-)，男，山东莱州人，汉族，硕士，毕业于北京理工大学，所学专业：工程力学，职称：工程师，目前主要从事铁道车辆结构强度仿真研究工作。

收稿日期：2015-04-14

Modal analysis and impact simulation of waste water tank of high-speed EMU

ZHAO Zihao,LIU Shaoqing,WANG Wanjing,WANG Zongzheng

Abstract:When high-speed EMU is running, it will produce severe vibration, which has an adverse impact on the safety and reliability of waste water tank and other vehicle equipments. In this paper, waster water tank modal is calculated when the tank is empty, half or full of water. The strength calculation is made for the waste water tank filled with water under three different impact loading conditions. The results show that its natural frequency will gradually decrease when the mass of waster water increases. The strength of the waste water tank can meet the application requirements in impact loading conditions.

Keywords:waste water tank; modal; impact; strength

0引言

废水箱是高速动车组不可或缺的车下设备，它以吊挂方式安装在车体底架横梁上。计算废水箱在空箱、半箱水和满箱水状态下的模态，得到其固有频率，为避免动车组运行时发生共振具有重要意义。列车高速运行时，由于轮轨间的相互作用，废水箱将产生剧烈振动，为确保废水箱的安全可靠性，废水箱结构强度设计时必须充分考虑振动冲击作用的不利影响[1-4]。废水箱结构设计是否安全、可靠，对高速动车组的安全服役具有重要意义，为此需要对废水箱结构进行冲击仿真分析[5-8]。

1废水箱有限元模型建立

1.1实体几何模型

废水箱的几何模型如图1所示。动车组废水箱是由箱体和承载骨架焊接组装而成。箱体通过6个螺栓与车体底架横梁连接。箱体和承载骨架均为不锈钢材料304L。

1.2有限元模型

本文采用4节点PSHELL单元对废水箱几何模型划分网格，基本单元尺寸为10 mm,共形成72497个单元和73743个节点，考虑到废水箱的实际承载情况，对应力集中和梯度变化较大的部位进行了网格细化，生成的废水箱有限元模型如图2所示。

图1　废水箱几何模型　　图2　废水箱有限元模型

1.3材料属性

废水箱的箱体和骨架均采用不锈钢304L，所用材料属性如表1所示。

表1

材料性能

1.4计算工况及边界条件

图4　加速度为5g的时间历程

计算废水箱在空箱、半箱水和满箱水时的模态，得到各个状态下的固有频率。依据有关振动冲击试验标准，将振动冲击加速度作为废水箱的计算载荷。约定纵向为X方向(轨道方向)，横向为Y向(枕木方向)，垂向为Z向(垂直于地平面方向)，废水箱在冲击作用下分别承受3个方向的加速度，其中纵向加速度为5 g，横向加速度为3 g，垂向加速度为3 g。根据标准要求，冲击的加速度理想化为标准半波正弦：

2求解和提取仿真结果

利用Optistruct求解器来计算废水箱在空箱、半箱水和满箱水三种状态下的模态, 利用Radioss求解器来计算废水箱在三向冲击载荷条件下的强度。

2.1模态分析

通过对废水箱的模态分析，能够确定出废水箱固有频率和振型，固有频率和振型是废水箱的基本特性，也是分析和评价废水箱动态性能的重要指标。通过计算得出了空箱、半箱水和满箱水状态下废水箱前四阶模态。废水箱固有频率如表2所示，废水箱空箱的前4阶模态振型如图5-图8所示。

表2

废水箱的固有频率/Hz

2.2冲击强度分析

图9　纵向冲击von Mises等效 应力云图

图9-图11给出了废水箱满水时三向冲击载荷工况下的von Mises等效应力云图。

由表3可见，纵向5 g冲击载荷作用下，最大应力值109.61 MPa, 发生在废水箱安装座与螺栓的接触处；横向3 g冲击载荷作用下，最大应力值69.50 MPa,发生在废水箱骨架的小纵梁处；垂向3 g冲击载荷作用下，最大应力值为81.34 MPa,发生在废水箱安装座与螺栓的接触处；三个冲击时的最大应力值均小于不锈钢304L的屈服强度，因此满足设计要求。

表3废水箱满箱水时的Von-Mises等效应力值

冲击工况Von-Mises/MPa最大应力位置Rp0.2/MPa纵向冲击109.61安装座与螺栓的接触处205横向冲击69.50骨架小纵梁处205垂向冲击81.34安装座与螺栓的接触处205

3结论

通过创建废水箱有限元模型，完成高速动车组废水箱的模态计算与三向冲击载荷工况计算，并验证了该设计结构的安全性。计算结果表明，废水箱在空箱、半箱水及满箱水时的一阶固有频率均高于30 Hz，能够满足设计要求，并且伴随着废水箱内水量的增加，其固有频率会逐渐减小；在三向冲击载荷条件下，废水箱结构的最大等效应力均低于304L不锈钢的屈服强度，因此能够满足强度设计要求；其中在承受纵向5 g加速度冲击载荷作用时的Von Mises等效应力值最大，最大应力位置发生在废水箱安装座与螺栓的接触处。

参考文献

[1]闫凯，邱慧，曾凤柳.旅客列车真空集便器系统污物箱设计与试验技术研究[J].铁路节能环保与安全卫生，2013,3(1)：4-8

[2]邱慧，闫凯，曾凤柳，等. TKH-VWC型保持式真空集便系统研制及关键技术研究[J].铁路节能环保与安全卫生，2012,2(3)：112-116

[3]李丰，孙彦，刘兴龙．铁道车辆污物箱及安装吊座强度与模态分析[J].中国铁路，2012,2:45-48

[4]任洁，刘永参，兰明，等. 液压支架立柱的流固耦合分析[J]．机械工程自动化，2011(5)：59-60

[5]董伟力，胡震，陈秀芳，黄振晖，张天白.基于ANSYS的出口伊朗座车水箱吊装结构强度分析[J]. 铁道机车车辆，2013,33(2)：52-55

[6]方韶华，郭世永.列车蓄电池箱的有限元分析和实验测试[J]. 石家庄铁道学院学报(自然科学版)，2007,20(4)：95-97

[7]崔婧美，娄玉飞.浅谈高速列车给排水系统的设计[J].铁道车辆,2007,45(7):13-15

[8]李连奎，李宏，杨海龙.高速客车给水系统的设计[J].铁道车辆，2004,42(1)：18-20