基于有限元法的动车组行李架优化分析

王宇驰 李占一

(中车长春轨道客车股份有限公司设备研发部，130062，长春//第一作者，工程师)

动车组行李架位于客室座椅上方，供旅客乘放行李、随身物品等，是动车内部设备的重要组成部分。近年来，随着工业水平的提高以及对美观性需求的增大，通常选择钢化玻璃板或聚碳酸酯板作为承载面板，其优点是表面通透方便旅客查看行李，且能增强动车组客室光亮度。

钢化玻璃面板刚度大，内部结构稳定，受力后变形量小，但玻璃的尖角冲击和自爆问题无法避免；聚碳酸酯面板密度小，质量轻，加工性与可塑性好，受力变形后易恢复，但硬度低，刚度小，受力状态下变形较大，使用时易出现划痕。因此，行李架设计时，面板材料和结构的选择与设计显得非常重要。

1 行李架结构与材质

动车组行李架主要由托架、型材框架和承载面板3个部分构成，通过插接、压接、螺钉连接等方式组装固定。其中，承载面板主要有铝板、钢化玻璃板和聚碳酸酯隔板3种形式。

现以某型号动车组行李架(长度2 040 mm)为例介绍其结构组成。行李架由左右托架、前型材、承载面板、后型材、拉杆、支架、销轴等部件构成，如图1所示。现保持结构不变，只更改承载面板材质，通过行李架受力及变形情况探讨钢化玻璃板承载与聚碳酸酯板承载的差异性。

图1 动车组行李架结构

2 行李架有限元模型

有限元模型的前处理和后处理均通过Abaqus分析软件实现。由于行李架部件多，建模工作量大，需对模型进行简化处理以减少计算量，因此，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[1]。模型中端部托架、销轴、前后型材采用线性实体单元C3D8R划分，其余部件采用壳单元S4R划分,整个模型的单元数约为27.4万个,节点数约为20.8万个。离散后的行李架有限元模型如图2所示。

图2 行李架有限元模型

边界条件为在行李架表面施加均布载荷2 040 N(均载1 000 N/m)，在前端型材中部施加850 N集中力。

3 材料参数与计算载荷

行李架有限元模型中共涉及6种材料，其力学参数如表1所示。

根据UIC 566标准,计算载荷考虑变形最大的一种工况[2],即行李架沿长度方向施加均布载荷1 000 N/m，前端型材中部施加集中力850 N。

4 结构强度评定标准

根据德国标准DIN EN 12663—2000《铁道车辆车体结构要求》规定，动车组行李架结构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不应小于DIN EN 12663标准中第3.4.2节中给出的安全系数S值。若取材料许用应力值为其屈服应力值进行校核，则安全系数S1=1.15，若取材料许用应力值为其抗拉强度进行校核，则安全系数S2=1.5[3],即：

表1 行李架材料参数

式中：

Rp0.2——材料许用应力；

σm——材料抗拉强度；

σc——计算等效应力。

5 计算结果

5.1 位移结果

图3和图4给出了支撑面板分别为钢化玻璃和聚碳酸酯板的位移云图。从位移云图上可以看出，钢化玻璃位移为41.36 mm，聚碳酸酯板位移为59.08 mm。根据设计任务书最大位移不得超过45 mm的要求，此结构的聚碳酸酯板行李架不合格。

图3 钢化玻璃板行李架位移云图

由此可见,在相同结构和相同载荷的条件下，聚碳酸酯板的位移比钢化玻璃要大。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。

图4 聚碳酸酯板行李架位移云图

5.2 最大等效应力

通过计算得到每个主要部件的应力云图分布及最大等效应力。图5为钢化玻璃板行李架应力云图，最大应力为222.8 MPa，发生在支架拐点处(见图6)；图7为聚碳酸酯板行李架应力云图，最大应力为273.6 MPa，发生在前端托架处(见图8)。

图5 钢化玻璃板行李架应力云图

图6 钢支架应力云图分布(σmax=222.8 MPa)

两种承载面板行李架的各部件受力情况如表2所示。由表2可见，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，而前型材的位移量则由其抗弯截面系数决定。

图7 聚碳酸酯板行李架应力云图

图8 前端托架应力云图(σmax=273.6 MPa)

6 结果分析及改进建议

由表1的材料参数可见，钢化玻璃的弹性模量比聚碳酸酯板的弹性模量大很多。根据线应力除以线应变等于弹性模量的关系可知，相同条件下，对相同截面积的钢化玻璃板和聚碳酸酯板在相同位置施加相等的应力时，聚碳酸酯板的变形量会比钢化玻璃大很多，这与计算结果相吻合。

由于弹性模量是材料固有的性质，无法改变，因此，若采用聚碳酸酯板为承载面板，则需考虑加强行李架的主要框架强度，以保证行李架整体强度和零部件的安全系数。

首先考虑将最容易变形的前型材强度增强，并将左右托架壁厚加大，以达到行李架整体强度要求[4]。根据梁的强度条件，纯弯曲梁的最大弯曲正应力σmax≤[σ]。对于等截面直梁，中性轴为横截面对称轴，则有:

表2 行李架各部件等效应力

σmax=Mmax/Wz

式中：

Mmax——最大弯矩；

Wz——抗弯截面系数。

抗弯截面系数越大，材料的最大弯曲正应力越小。空心圆截面的抗弯截面系数计算公式为:

式中：

D——空心圆截面外径；

d——空心圆截面内径。

空心圆截面的抗弯截面系数与外径的3次方成正比，外径越大相应的抗弯截面系数越大;另外,壁厚(D-d)越大相应的抗弯截面系数也越大。

综上所述，若承载面板由钢化玻璃更改为聚碳酸酯板，则需考虑加大框架型材外径及壁厚的优化措施。优化后再次进行有限元计算得出，优化后的聚碳酸酯板行李架最大变形量为39.01 mm，部件最大应力出现在钢支架支座拐角处，为235.5 MPa，均符合要求。图9和图10为优化后的行李架位移和钢支架应力云图。表3为优化后聚碳酸脂板行李架各部件等效应力计算结果。

图9 优化后聚碳酸酯板行李架位移云图

7 结论

(1) 原行李架结构不变的情况下，聚碳酸酯板承载位移量比钢化玻璃板要大,且前型材位移量影响托架和型材的应力大小。

(2) 前后型材的抗弯截面系数对行李架的位移量影响显著，特别是前型材的抗弯截面系数,其影响最为明显。因此，在设计行李架时，需要综合考虑，如果对行李架抗变形要求高，就需要选用抗弯截面系数较大的型材。

表3 优化后聚碳酸酯板行李架各部件等效应力

图10 优化后钢支架应力云图

(3) 通过分析比较可知，聚碳酸酯板具有密度小，质量轻、可塑性好的优势，适用于动车组行李架承载面板,但同时应考虑加强框架的强度。