制动模块静强度及疲劳强度仿真分析

王雯 姚风龙 周春梅 牛成亮

摘要：本文以地铁车下设备制动模块为研究对象，依据“EN12663-2010铁路应用-铁路车辆车身的结构要求”标准施加载荷，采用ANSYS软件对制动模块进行了有限元应力分析，并对其进行静强度和疲劳强度评估。计算结果表明，该制动模块结构的静强度和疲劳强度均满足标准要求，为类似结构设计、分析计算、改进优化提供了参考。

关键词：制动模块;静强度;疲劳强度;ANSYS

随着地铁事业的飞速发展，人们对地铁车辆的制动模块吊装结构的可靠性要求越来越高，车辆安全问题备受关注[1][2]。制动模块作为车下设备，长期处于复杂的振动环境，并容易发生各种形式的失效[3]。

为了能够准确模拟制动模块在各工况中的受力状态，制动模块有限元模型采用主承载结构精细化建模。在本文中所有涉及坐标系的方向如图1所示。

X 向：制动模块纵向，从两枕梁中心指向一端（此处为气路出口端）;

Y 向：从横向中面（以两侧大纵梁为基准）指向一端的吊架大纵梁;

Z 向：从轨道梁走行面指向制动模块。

制动模块主承载结构为吊架组成，其主要包含纵梁、横梁、小横梁、吊板、气路出口板等，各模块通过螺栓等固定连接，其主承载结构三维模型如图2所示，主要承载结构由06Cr19Ni10奥氏体不锈钢组焊与螺栓组合连接而成。

其中，内部连接螺栓为M10规格、外部连接螺栓为M16 规格，不锈钢板厚分别有2mm、4mm、6mm共三种规格（在图3中依次以 T2、T4、T6 符号示意）。

1有限元模型

对此制动模块进行有限元离散时，薄板结构采用壳单元离散，充分考虑制动模块各部分连接的真实情况，具有明确安装位置及质心的结构（风缸组成、防脱吊架等）以集中质量的形式施加在各自的质心位置，制动模块总质量为268.1kg。

此有限元静强度计算模型总计有81846个节点和78180个单元。有限元模型如图4所示。

2计算载荷工况与边界条件

制动模块吊装结构疲劳分析依据《EN12663-2010铁路应用铁路车辆车身的结构要求》[4]，制动模块吊装静强度工况（即特殊载荷工况）、疲劳载荷工况，如表1、2所示。

4强度评估与应力分析

制动模块强度评估分为静强度与疲劳强度评估两种方法：

静强度评估方法是在各载荷工况下，结构各处的应力均应小于相应材料的许用应力，如下式所示：

其中，安全系数表示为：应大于1.5。

为了保证30年的最小使用寿命，使用疲劳极限设计方法进行疲劳寿命的评估。评估方法是对于某个确定连接的部位，取相应S-N曲线上1E7周期处的疲劳许用应力范围值[5]，计算得到的寿命值大于1E7，即满足疲劳强度要求。制动模块需同时满足静强度要求与疲劳强度要求才可以满足设计要求。

4.1 静强度应力计算分析结果

图5给出了第5工况的Von-Mises静强度应力计算结果云图，表4列出了各单独工况和组合工况下的最大应力值及其发生部位。可见，在组合载荷作用下，制动模块二端左侧纵梁螺栓上表面部位出现最大应力（第5工况），应力值为121.63MPa，小于制动模块承载结构用材06Cr19Ni10的屈服许用应力210MPa，安全系数1.727>1.5，因此该制动模块结构满足静强度要求。

4.2 疲劳载荷工况安全因子计算结果

图6给出了疲劳第5工况安全因子云图，表5列出了各疲劳工况危险位置及安全系数。可见，在各个载荷组合工况下，制动模块承载结构上疲劳寿命最小值的位置为二端右侧纵梁螺栓孔上表面处，计算值大于许用疲劳寿命1E7，安全系数1.904>1.5，因此该制动模块的疲劳强度满足要求。

5 结论

制动模块在各载荷工况下满足静强度计算要求，最大应力发生位置为二端左侧纵梁螺栓孔上表面处，安全系数均在1.5以上。并且在模拟实际运行各工况交变载荷的作用下满足均疲劳强度要求，满足“EN12663-2010”标准要求，表明此制动模块结构满足设计要求。

参考文献

[1]田宗睿，高速动车组制动模块结构可靠性分析及优化[J].机械设计与制造工程，2020（6）.

[2]李成涛.动车组车下制动模块框架静强度及联接螺栓非线性有限元分析[J].科技与企業，2016（2）：251-252.

[3]陈姝枚.地铁车辆制动模块疲劳强度研究[D].北京：北京交通大学，2017.

[4]EN 12663-1 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies， Part1： Locomotives and passenger rolling stock （and alternative method for freight wagons）.2010.

[5]EN 1999-1-3 Eurocode 9： Design of aluminum structures， Part1-3 ：Structures susceptible to fatigue.2007.

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