动车组电热开水器静强度性能研究

周文涛 孙卫平 魏 凌 王冰松

1 目的与意义

电热开水器是铁路车辆专业供水设施，被广泛应用于国内动车组上，动车组电热开水器的主体采用常压结构，烧水腔不承压，对于开水器主体，需要利用有限元模型及分析方法对其静强度进行分析，验证设计的合理性。

本文以某型动车组电热开水器为例，对产品进行了静强度仿真计算和实车振动模拟试验，通过对比二者得出的结果，为动车组电热开水器的设计提供了参考与建议。

2 仿真计算

2.1 计算目的

根据某型动车组技术要求计算电热开水器静强度，确保满足使用要求，为产品结构的优化设计提供依据。

2.2 执行标准和规范

依据EN 12663-1-2010标准要求，进行静强度及疲劳分析。依据TB/T 2839-2003第6.1条要求进行25kPa加载工况开水腔、储水腔强度校核。

2.3 电热开水器有限元模型

对某型动车组电热开水器进行静强度仿真计算，使用Hypermesh进行几何处理和单元网格划分，使用Optistruct求解器进行仿真计算。该电热开水器由外箱体、热水箱和配电箱等组成。电热开水器总重为90kg，热水箱容积为18L，加满水后总重为108kg。本文规定沿车体纵向为电热开水器的纵向（Z向），沿车体横向为电热开水器的横向（X向），沿车体垂向为电热开水器的垂向（Y向），如图1所示。

图1 电热开水器组成示意图及其坐标系统

2.4 网格及边界条件

首先根据电热开水器组成的实际结构和尺寸建立几何模型，采用Hypermesh软件对电热开水器的几何模型进行离散。因为电热开水器组成属于弹性薄壳结构，所以采用壳单元SHELL单元进行网格划分，采用的单元大小为15mm，共形成27015个单元和27322个节点。

需要说明的是静力计算假设开水器处于满水状态，因此，在有限元模型中把水的质量分摊到周围的水箱结构中，另外把一些简化去除的结构的质量分摊到其周围的结构中，以保证计算的准确性。

根据电热开水器在车厢当中的实际安装情况，将电热开水器的两个上部安装座、四个背板螺栓孔、四个底部支座设置为固定约束，即约束其6个自由度，如图2所示。

图2 约束位置分布

2.5 静强度计算工况

电热开水器各静强度工况的最大等效应力（Von Mises）如表1所示。

表1 水箱电热开水器各静强度工况最大等效应力

从表1可以看出，工况1和工况2水箱上部连接筋板的最大等效应力都超过屈服强度。

由于水箱上部连接筋板结构强度不够，对它进行了改进。主要把它的不锈钢板壁厚由1.2mm提高到2.0mm，然后把它焊接在水箱侧面，避免在静强度工况1、2下过度受剪切。具体改进结构如图3所示。

图3 电热开水器水箱上部筋板改进结构

改进后的电热开水器各工况的最大等效应力（Von Mises）如表2所示，可以看出电热开水器在各静强度工况下均满足静强度要求。

表2 水箱上部筋板改进后电热开水器各静强度工况最大等效应力

2.6 电热开水器仿真计算结论

对某型动车组电热开水器进行了静强度仿真计算，分析结果表明电热开水器在结构改进前受到静强度工况1和2载荷作用时水箱上部连接筋板处等效应力均为360MPa，超过了材料的屈服应力，容易损坏，因此，需要加强结构。改进水箱上部连接筋板后，电热开水器在各静强度工况下均满足静强度要求。

3 电热开水器实车模拟试验

3.1 试验过程及内容

制造电热开水器样件一个，安装在液压振动台上，样件安装工装尽量保证与实车固定方式一致。电热开水器样件的位置方向按如下规定：沿车体纵向为电热开水器的纵向（Z向），沿车体横向为电热开水器的横向（X向），沿车体垂向为电热开水器的垂向（Y向）。静强度测试采用应变测试，测试部位需要一定的空间粘贴应变片，试验加载采用振动台激励加载，分别在模型的纵向、横向和垂向加入正弦激励，激励频率为10Hz，然后进行应变测试。

由于改进前水箱上部筋板在静强度工况1和2下最大等效应力超出屈服应力，因此，首先采用水平台纵向加载（Z向），在ST1、ST2工况下进行了测试，得出最大应变位置位于点A，最大等效应力分别为280.66MPa、451.76MPa，远远超过了205MPa的屈服应力，测点A对应的水箱上部筋板此时处于受剪切状态，所以加载40s后筋板焊接处直接断裂。

可见，开水器水箱上部筋板的结构设计存在问题，因此，改进这个筋板的结构。首先，把筋板的厚度由1.2mm提高到2.0mm。其次，把筋板与水箱体的焊接位置放到侧面，避免在纵向加载（Z向）最危险的工况下受剪切作用。再次，增加筋板与水箱之间的焊接长度，增加中间焊点，提高焊接强度。最后，重新进行静强度试验，结果显示在ST1、ST2工况下，A点的最大等效应力分别为160.2MPa、145.2MPa，其他工况下的最大等效应力均与表2的静强度工况1和2的计算值基本相符。

3.2 电热开水器实验部分结论

对电热开水器进行了静强度试验测试。在结构改进前电热开水器的纵向加载（Z向）试验中水箱连接筋板出现断裂，说明此处筋板结构存在设计缺陷。

4 结论

（1）某型动车组电热开水器静强度的仿真分析结果与实际试验测得的数据相吻合，证明了仿真静强度计算的准确性，仿真分析计算能为产品结构的优化设计提供依据。

（2）电热开水器在ST1和ST2工况下，连接筋板处结构强度不能满足要求，通过仿真计算改进设计，最终满足技术要求。

[1]张允真，曹富新.弹性力学及其有限元法[M].北京：中国铁道出版社，1983：20-60.

[2]范钦珊，薛克宗，程宝荣.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2014.