基于ANSYS Workbench的集中動力動車組污物箱仿真分析

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(寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司，浙江寧波315000)

0 引言

真空集便系統(tǒng)作為集中動力動車組給水衛(wèi)生系統(tǒng)的重要組成部分，以其結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、耗氣耗水量少等優(yōu)點在軌道車輛中得到迅速發(fā)展[1]。

真空集便系統(tǒng)是通過抽取污物箱中的空氣，使污物箱中產(chǎn)生真空，利用加壓水將便盆中的污物沖洗到污物箱中[2]。而污物箱作為其重要組成，一般是采用螺栓連接的方式吊裝在車底。集中動力動車組在行進(jìn)過程中，由于車輪與軌道的碰撞，將會對污物箱的吊梁產(chǎn)生劇烈的影響，一旦污物箱的吊梁產(chǎn)生脫落，污物箱掉落在軌道上，將會導(dǎo)致車輛翻車，危及旅客安全[3-4]。因此，有必要在設(shè)計過程中按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(EN12663-1：2010)對污物箱進(jìn)行有限元分析。

本文基于ANSYS Workbench 仿真分析軟件，以集中動力動車組的真空集便系統(tǒng)550 L污物箱為分析對象，分別進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析、疲勞強(qiáng)度分析以及模態(tài)分析，仿真結(jié)果顯示該污物箱能滿足設(shè)計的要求。

1 550 L污物箱有限元模型

1.1 模型簡化與網(wǎng)格劃分

圖1 污物箱幾何模型

集中動力動車組550 L污物箱主要由外蒙皮、內(nèi)箱體框架、安裝支架、內(nèi)箱體、管道、閥門、電氣箱等組裝成。污物箱由其頂部安裝支架通過螺栓與車底連接，其幾何模型如圖1所示。

污物箱外蒙皮箱體由鉚釘固定在內(nèi)箱體框架上，內(nèi)箱體和內(nèi)箱體框架采用焊接方式連接。由于蒙皮箱體、防寒材料以及一些功能部件對污物箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有幫助，因此在有限元建模時主要考慮作為承載主體的內(nèi)箱體框架結(jié)構(gòu)，并對幾何模型進(jìn)行適當(dāng)修正，刪除模型中對承載結(jié)構(gòu)影響不大的倒角、圓角、圓孔等。

污物箱整體由板材焊接而成，對簡化的幾何模型抽取中面，保留原始板材厚度信息，采用四節(jié)點四邊形殼單元劃分網(wǎng)格，單元尺寸8 mm，單元總數(shù)和單元節(jié)點數(shù)分別為160758和168396，其有限元模型如圖2。

1.2 材料參數(shù)

污物箱主要結(jié)構(gòu)所使用的材料為304不銹鋼，具體材料屬性見表1。

表1材料參數(shù)

1.3 邊界條件

圖3 邊界條件示意圖

污物箱頂部通過安裝吊耳由螺栓連接到車體上，根據(jù)實際安裝方式，約束頂部吊耳螺栓孔處所有自由度，如圖3。

2 污物箱靜強(qiáng)度計算與結(jié)果分析

2.1 污物箱靜強(qiáng)度工況

根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1：2010和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1720-2010，采用PⅡ類規(guī)定的載荷，保壓載荷為-25 kPa，均勻施加在內(nèi)箱體內(nèi)壁上，其中x方向為列車運行方向，y方向為列車橫軸方向，z方向為垂直軌面向上，計算滿箱時的狀況，靜態(tài)計算工況見表2。

2.2 靜強(qiáng)度結(jié)果分析

根據(jù)EN12663-1：2010規(guī)定，本次有限元分析所采用的安全系數(shù)如表3，材料的許用強(qiáng)度如表4。

表2靜態(tài)工況

表3EN12663∶2010規(guī)定的安全系數(shù)

表4材料的許用強(qiáng)度

根據(jù)材料利用系數(shù)判定污箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求，具體公式：

(1)

式中：UF為材料利用系數(shù)，σequivalent為仿真計算得到的結(jié)構(gòu)最大von mises等效應(yīng)力，σallowable為材料的許用應(yīng)力，許用應(yīng)力的計算公式：

(2)

式中：R0.2為材料屈服強(qiáng)度，Rm為材料許用強(qiáng)度。仿真計算結(jié)果見圖4-圖8。

圖4 S01工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖5 S02工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖6 S03工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖7 S04工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖8 S05工況應(yīng)力云圖和變形云圖

由圖4-圖8的仿真計算結(jié)果可以看出，污物箱最大von mises等效應(yīng)力和最大變形都發(fā)生在S01工況，在污物箱的吊耳懸掛處von mises等效應(yīng)力最大，其值為141.07 MPa，在污物箱內(nèi)箱體上部的中間位置處變形量最大，最大變形量為1.20 mm，由公式(1)和公式(2)計算污物箱在最大von mises等效應(yīng)力下材料的利用系數(shù)為0.79<1，因此在靜態(tài)工況下滿足強(qiáng)度要求。

3 污物箱疲勞計算與結(jié)果分析

3.1 污物箱疲勞工況

根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1：2010和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1720-2010，采用PⅡ類規(guī)定的載荷，保壓載荷為-25 kPa，計算滿箱時的狀況，疲勞計算工況見表5。

表5疲勞工況

3.2 疲勞工況結(jié)果分析

根據(jù)EN12663-1：2010規(guī)定，本次有限元分析所采用的安全系數(shù)如表6。

表6EN12663-1：2010規(guī)定的安全系數(shù)

仿真計算結(jié)果見圖9-圖16。

圖9 F01工況變形云圖和應(yīng)力云圖

圖10 F02工況變形云圖和應(yīng)力云圖

圖11 F03工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖12 F04工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖13 F05工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖14 F06工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖15 F07工況應(yīng)力云圖和變形云圖

圖16 F08工況應(yīng)力云圖和變形云圖

由圖9-圖16的仿真計算結(jié)果可以看出，污物箱最大von mises等效應(yīng)力發(fā)生在F06工況，在污物箱的吊耳懸掛處von mises等效應(yīng)力最大，其值為126.06 MPa，產(chǎn)生于吊耳懸掛處；最大變形發(fā)生在F02工況，在污物箱內(nèi)箱體上部的中間位置處變形量最大，最大變形量為0.91 mm，由公式(1)和公式(2)計算污物箱在最大von mises等效應(yīng)力下材料的利用系數(shù)為0.71<1，因此在疲勞工況下滿足強(qiáng)度要求。

4 污物箱模態(tài)分析

集中動力動車組在行駛過程中由于車輪與軌道的相互碰撞引起整列車發(fā)生振動，當(dāng)污物箱固有頻率與列車的振動頻率相同時會產(chǎn)生共振，將會對污物箱吊梁產(chǎn)生嚴(yán)重破壞[5]。因此，有必要對550 L污物箱進(jìn)行模態(tài)分析，選取污物箱主框架前6階模態(tài)振型及其固有頻率如表7，其6階模態(tài)振型圖如圖17-圖22。

表7污物箱模態(tài)分析結(jié)果

由表7可看出污物箱的一階固有頻率為22.66 Hz，大于集中動力動車組在運行時的一階振動頻率(10 Hz ～14 Hz)，因此污物箱滿足設(shè)計要求。

圖17 一階模態(tài)振型圖 圖18 二階模態(tài)振型圖

圖19 三階模態(tài)振型圖 圖20 四階模態(tài)振型圖

圖21 五階模態(tài)振型圖 圖22 六階模態(tài)振型圖

5 結(jié)論

根據(jù)EN12663-1：2010設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對集中動力動車組550 L污物箱分別進(jìn)行了靜態(tài)、疲勞以及模態(tài)仿真計算，利用材料利用系數(shù)驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。由計算結(jié)果可知：

1)在靜態(tài)工況和疲勞工況下，550 L污物箱的最大von mises等效應(yīng)力均發(fā)生在吊耳處，在內(nèi)箱體上部的中間位置處變形量最大。

2)在不同的加速度載荷作用下，550 L污物箱的最大von mises等效應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度設(shè)計滿足要求。

3)550L污物箱的一階固有頻率大于集中動力動車組在運行時的一階振動頻率，滿足設(shè)計要求。