马纪军，杨 帅，于金朋，宿 崇

(1.唐山轨道客车有限责任公司，河北 唐山 063000;2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连116028)*

0 引言

目前我国动车组运营速度达到300 km/h以上，如此高的运行速度要求其必须比普通列车具有更高的安全可靠性［1-2］.因此，动车组车体从设计、选材到制造的各个环节都有极为严格要求.动车组车体材料为铝合金，这符合高速列车轻量化的发展需求，然而也易于出现结构强度不足的问题.车体悬挂设备是确保动车组正常运行的重要功能部件，通常通过吊装结构固定在车体上，工作状态下悬挂设备随车体产生随机振动，振动冲击载荷通过吊装结构传递到车体上［3-5］.交变的冲击载荷将使车体承载部位产生疲劳损伤，为列车的安全运行带来隐患.因此在设计车体悬挂设备时，需对相应的车体承载部位进行强度校核，以确保其运行可靠性.本文采用有限元法，对某型动车组车顶净水箱吊装设备振动冲击下的车体C型槽结构疲劳强度进行仿真计算，以此来分析吊装设备结构设计的合理性.

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1 载荷工况分析

某型动车组净水箱及其吊装组件结构如图1所示.该净水箱安装于车顶区域，用于给各用水点供水.净水箱通过过渡梁组件吊装在车体C型槽上，水箱支架和过渡梁之间通过螺栓连接.水箱装满水后的总重为340 kg.动车组运行时，由水箱振动而产生的冲击载荷将通过螺栓连接组件传递到车体C型槽上.

图1 净水箱及其吊装组件

根据EN12663标准规定的车体附加设备载荷取值规范确定净水箱吊装设备的工作载荷工况，如表1所示.根据该载荷工况，采用有限元仿真计算出各连接螺栓的承载力，计算结果表明，中间吊座的外侧螺栓承载力及其变化范围最大，因此可以取其作为C型槽疲劳强度计算载荷，如表2所示.

表1 工作载荷计算组合工况

表2 螺栓承载力

2 工作载荷下结构静强度分析

2.1 有限元模型

为简化模型节省计算资源，同时保留结构细节，C型槽圆角部位采用实体单元建模，而其它厚度均匀部位则可通过提取中性面，并采用壳单元建模，如图2所示.实体单元和壳单元之间需定义绑定接触.由于实体单元和壳单元连接处的应力过渡与统一单元相比存在一定的偏差，所以在连接处定义了过渡单元.选择过渡单元时应避开结构应力集中的部位及重点关注部位.滑块采用壳单元建模，滑块与C型槽之间通过刚性单元连接，以实现力学参数的传递.载荷施加于滑块螺栓孔中心的质量单元，通过纵向Fx、横向Fy以及垂向Fz三个方向的载荷实现加载.

假定各载荷工况出现频率相同的情况下，根据表2构造出C型槽承载载荷历程，如图7所示.采用Fe-safe软件进行疲劳寿命计算，预先设定结构的设计寿命为1.0×107.计算结果表明，C型槽的疲劳寿命大于1.0×107循环，最小安全系数为13.625，这表明在净水箱的振动冲击载荷下，在指定的设计寿命内C型槽结构不会发生疲劳破坏.

图2 实体单元－壳单元混合模型

车体材料为铝合金，其物理力学特性如下:密度为2.7e-6 kg/mm3;弹性模量为7e4 MPa;泊松比为0.3;屈服强度为215 MPa;极限拉伸强度为400 MPa.

2.2 计算结果分析

图4所示为结构疲劳关注部位应力分布情况.由图可见，结构发生应力集中的部位出现在区域 A、B、C、D、E，这些区域主要为结构的圆角或拐角部位，且处于结构的中部，靠近载荷作用点，此外在滑块与C型槽接触的边界位置也存在一定的应力集中行为.提取应力集中区域部分节点应力值，如图5所示，可见，在工况1载荷作用下，区域A、C应力集中行为较为突出，最大值达到13.8 MPa，但远小于材料的屈服强度215 MPa，表明结构在正常运行工况下不会出现塑性破坏.

图3 C型槽结构应力分布(工况1)

图4 C型槽疲劳关注部位应力分布

图5 应力集中区域应力分布

分析表2可知，工况1时C型槽结构承受载荷最大，因此选其作为C型槽静强度计算载荷，计算结果如图3所示.由图可见，在壳单元和实体单元交接的部位应力过渡存在一定的偏差，因此在进行结构强度分析时，应忽略此部位.

3 C型槽疲劳寿命仿真分析

3.1 材料疲劳特性估算

人们宣誓的日子到了！没有寻到公鸡，决定拿老山羊来代替。小伙子们把山羊抬着，在杆上四脚倒挂下去，山羊不住哀叫。二里半可笑的悲哀的形色跟着山羊走来。他的跛脚仿佛是一步一步把地面踏陷。波浪状的行走，愈走愈快！他的老婆疯狂地想把他拖回去，然而不能做到，二里半惶惶地走了一路。山羊被抬过一个山腰的小曲道。山羊被升上院心铺好红布的方桌。

图6 铝合金车体材料S-N曲线

3.2 仿真结果分析

大脑袋多多赞叹了一句。那些在海藻之间穿行的圆的、扁的、呈放射状的，硬壳的、软体的，单色的、五彩缤纷的各种生物令他着迷。

在工程实践中，对于没有可用S-N曲线的材料，需要进行疲劳寿命计算时，一般可通过材料的疲劳与拉伸特性之间的经验关系式来估算S-N曲线.尽管它们之间的关系没有充分的科学依据，但是已经成为分析人员评估疲劳性能的重要依据［6］.目前，各类疲劳分析软件均有相应的评估方法，但使用的评估参数不尽相同.本文利用Fe-safe软件，通过材料的弹性模量和极限抗拉强度(UTS)估算出铝合金车体材料的疲劳特性曲线，如图6所示.应力水平与循环次数的对应关系为:S(260.723 MPa，135.262 MPa)～ N(1.0 ×104，1.0 ×107).

图7 C型槽结构承载载荷历程

图8所示为结构疲劳关注单元的安全系数分布.可以看出，实体单元结构疲劳安全系数较低的部位主要位于圆角处;壳体单元结构疲劳安全系数较低的部位位于滑块与C型槽接触边缘至结构拐角之间.

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图8 C型槽结构安全系数分布

4 结论

本文采用有限元法对某型动车组车顶净水箱吊装设备振动冲击下的车体C型槽疲劳强度进行仿真分析.考虑到计算效率与结构的细节描述，采用实体单元与壳单元混合建模的方法建立C型槽结构计算模型.假定各载荷工况出现频率相同的情况下，根据吊装组件连接螺栓的承载力构造出 C型槽工作载荷历程.采用 ANSYS/FESAFE疲劳分析软件对工作载荷下C型槽结构的静强度与疲劳强度进行了仿真分析.仿真结果表明，在正常运行工况下，C型槽不会发生塑性破坏，且在指定设计寿命下(1.0×107次循环)不会发生疲劳破坏.

［1］牵引动力国家重点实验室.时速400公里高速检测车车体与车下设备耦合振动分析［R］.成都:西南交通大学，2011.

［2］SCHUPP G，NETTER H，MAUER L，et al.Multibody System Simulation of Railway Vehicles with SIMPACK［J］.Vehicle System Dynamics Supplement，1999，31:101-118.

［3］王东屏，何正凯，李明高，等.动车组气动阻力降阻优化数值研究［J］.铁道学报，2011，33(10):15-18.

［4］DIEDRICHS B.Aerodynamic Calculations of Crosswind Stability of a High-Speed Train Using Control Volumes of Arbitrary Polyhedral Shape［J］.Bluff Bodies Aerodynamics ＆Applications，2008，6:20-24.

［5］康洪军，曾京，张卫华，等.高速综合检测列车车体与车下设备耦合振动分析［J］.北京交通大学学报，2011，35(6):62-66.

［6］周传月，郑红霞，罗慧强.MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例［M］.北京:科学出版社，2005.