制動(dòng)模塊靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度仿真分析

王雯 姚風(fēng)龍 周春梅 牛成亮

摘要：本文以地鐵車下設(shè)備制動(dòng)模塊為研究對象，依據(jù)“EN12663-2010鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求”標(biāo)準(zhǔn)施加載荷，采用ANSYS軟件對制動(dòng)模塊進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析，并對其進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)估。計(jì)算結(jié)果表明，該制動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、改進(jìn)優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)模塊;靜強(qiáng)度;疲勞強(qiáng)度;ANSYS

隨著地鐵事業(yè)的飛速發(fā)展，人們對地鐵車輛的制動(dòng)模塊吊裝結(jié)構(gòu)的可靠性要求越來越高，車輛安全問題備受關(guān)注[1][2]。制動(dòng)模塊作為車下設(shè)備，長期處于復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境，并容易發(fā)生各種形式的失效[3]。

為了能夠準(zhǔn)確模擬制動(dòng)模塊在各工況中的受力狀態(tài)，制動(dòng)模塊有限元模型采用主承載結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模。在本文中所有涉及坐標(biāo)系的方向如圖1所示。

X 向：制動(dòng)模塊縱向，從兩枕梁中心指向一端（此處為氣路出口端）;

Y 向：從橫向中面（以兩側(cè)大縱梁為基準(zhǔn)）指向一端的吊架大縱梁;

Z 向：從軌道梁走行面指向制動(dòng)模塊。

制動(dòng)模塊主承載結(jié)構(gòu)為吊架組成，其主要包含縱梁、橫梁、小橫梁、吊板、氣路出口板等，各模塊通過螺栓等固定連接，其主承載結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示，主要承載結(jié)構(gòu)由06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼組焊與螺栓組合連接而成。

其中，內(nèi)部連接螺栓為M10規(guī)格、外部連接螺栓為M16 規(guī)格，不銹鋼板厚分別有2mm、4mm、6mm共三種規(guī)格（在圖3中依次以 T2、T4、T6 符號(hào)示意）。

1有限元模型

對此制動(dòng)模塊進(jìn)行有限元離散時(shí)，薄板結(jié)構(gòu)采用殼單元離散，充分考慮制動(dòng)模塊各部分連接的真實(shí)情況，具有明確安裝位置及質(zhì)心的結(jié)構(gòu)（風(fēng)缸組成、防脫吊架等）以集中質(zhì)量的形式施加在各自的質(zhì)心位置，制動(dòng)模塊總質(zhì)量為268.1kg。

此有限元靜強(qiáng)度計(jì)算模型總計(jì)有81846個(gè)節(jié)點(diǎn)和78180個(gè)單元。有限元模型如圖4所示。

2計(jì)算載荷工況與邊界條件

制動(dòng)模塊吊裝結(jié)構(gòu)疲勞分析依據(jù)《EN12663-2010鐵路應(yīng)用鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》[4]，制動(dòng)模塊吊裝靜強(qiáng)度工況（即特殊載荷工況）、疲勞載荷工況，如表1、2所示。

4強(qiáng)度評(píng)估與應(yīng)力分析

制動(dòng)模塊強(qiáng)度評(píng)估分為靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度評(píng)估兩種方法：

靜強(qiáng)度評(píng)估方法是在各載荷工況下，結(jié)構(gòu)各處的應(yīng)力均應(yīng)小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力，如下式所示：

其中，安全系數(shù)表示為：應(yīng)大于1.5。

為了保證30年的最小使用壽命，使用疲勞極限設(shè)計(jì)方法進(jìn)行疲勞壽命的評(píng)估。評(píng)估方法是對于某個(gè)確定連接的部位，取相應(yīng)S-N曲線上1E7周期處的疲勞許用應(yīng)力范圍值[5]，計(jì)算得到的壽命值大于1E7，即滿足疲勞強(qiáng)度要求。制動(dòng)模塊需同時(shí)滿足靜強(qiáng)度要求與疲勞強(qiáng)度要求才可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 靜強(qiáng)度應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果

圖5給出了第5工況的Von-Mises靜強(qiáng)度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖，表4列出了各單獨(dú)工況和組合工況下的最大應(yīng)力值及其發(fā)生部位?？梢?，在組合載荷作用下，制動(dòng)模塊二端左側(cè)縱梁螺栓上表面部位出現(xiàn)最大應(yīng)力（第5工況），應(yīng)力值為121.63MPa，小于制動(dòng)模塊承載結(jié)構(gòu)用材06Cr19Ni10的屈服許用應(yīng)力210MPa，安全系數(shù)1.727>1.5，因此該制動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度要求。

4.2 疲勞載荷工況安全因子計(jì)算結(jié)果

圖6給出了疲勞第5工況安全因子云圖，表5列出了各疲勞工況危險(xiǎn)位置及安全系數(shù)?？梢?，在各個(gè)載荷組合工況下，制動(dòng)模塊承載結(jié)構(gòu)上疲勞壽命最小值的位置為二端右側(cè)縱梁螺栓孔上表面處，計(jì)算值大于許用疲勞壽命1E7，安全系數(shù)1.904>1.5，因此該制動(dòng)模塊的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)論

制動(dòng)模塊在各載荷工況下滿足靜強(qiáng)度計(jì)算要求，最大應(yīng)力發(fā)生位置為二端左側(cè)縱梁螺栓孔上表面處，安全系數(shù)均在1.5以上。并且在模擬實(shí)際運(yùn)行各工況交變載荷的作用下滿足均疲勞強(qiáng)度要求，滿足“EN12663-2010”標(biāo)準(zhǔn)要求，表明此制動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]田宗睿，高速動(dòng)車組制動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2020（6）.

[2]李成濤.動(dòng)車組車下制動(dòng)模塊框架靜強(qiáng)度及聯(lián)接螺栓非線性有限元分析[J].科技與企業(yè)，2016（2）：251-252.

[3]陳姝枚.地鐵車輛制動(dòng)模塊疲勞強(qiáng)度研究[D].北京：北京交通大學(xué)，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.

中車長春軌道客車股份有限公司 吉林 長春130062