基于有限元法的动车组行李架优化分析.docx

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1、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，

2、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 04Omm）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

3、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 Nm）,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

4、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 Nm,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 126632000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SI=I .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=1.53,即：得件*t(m,)场氏手CMf耐松tt阻圈火力MKRAHMP左右托蒙YLl 122M9 0000. 33XJDCi

5、VM6063 TS2 700SCOO0.33IX)m物发材606bT62 700WOOO0.332402依忏Q2357 900206 0000.302334*Q5457 900206 0000 30M547019ttt IIKW2 IM)Tom0.20S42*破融金I (M2 ISO0.3Bs表1行李架材料参数式中：Rp0.2材料许用应力；m材料抗拉强度；c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，

6、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。CC U9g)b 0* IO，：:“ 33 Q,vr s:F .Jrnr . iw 1 4MA rF M Emrk，*，* nvoo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

7、，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(OmaX=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。OOe e17 IWH 11 力 Il Cf 3ImW6/k tr l/XC*rw3 力 8. Mvn * U 0*tM2 Mt W. *.HW图7聚碳酸酯板行李架应力云图卜 2 Meyl f 才8”?卜

8、，1 UFGOW UW6gy7 MWl Hw*r 42 TJM4C-2： M鼻H*5卜仔1郭 卜 f *cq 卜十，44先21卜4工了3。1 L *l ojoe*coMIX t2.73OfW： 5*F-JIlrKrrE，, -Stap Tkvw PrwnMy Ik g htp* ftwl LMM- ” *famvrfrP1-7A-JW图8前端托架应力云图(OmaX=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

9、，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4c根据梁的强度条件，纯弯曲梁的最大弯曲正应力。maxo对于等截面直梁，中性 轴为横截面对称轴，则有：面板临件Kftl MP即,MP*222. SMSI.S54702.11过mt102.5W3.374704.59WF200.321.17PO1.83KftW*K*I9 I皿1.63过6*托豪146.02O

10、2.19前毛材2S. I2401.922602. MHWWM92 Ix)1.411751.90ti倒化状则&36.3M2.32过*1支247.0MS1.401.8林岫114.9MS3.004.09HKIF200.0HS!. 181.SS见过前托爱27161.17*1过。施托黑181. S1.76165. O240I.4SLSt112.3IX)I,岭1.56AH,触RK板9.6公力H表2行李架各部件等效应力max=MmaxWz式中：Mmax最大弯矩；Wz一抗弯截面系数。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

11、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

12、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。侮件ra3MPH5, MpIM能*支*261 90MS1.324701.79MIHintiW.30MS1.754702.3a过叔朴206.901.15PO1.79Mxl*210.20320I.S2行托果177.403201.10前7MM 2920ISI2603.3片暨US 43IXII .16175I.B3量破候解析15265It. 47表3优化后聚碳酸酯板行李架各部件等效应力区Mfttt6Nfett. (fTAcnC -l.Q): %)2.3S3eO2以1%c，8 4!.SWW卜H,78eQ 41570rOJ卜 41.Z*H1 k 41.177+4)2o.aico 卜 4/ M44r+Ol - s.a+o ”.93rl 4!.乾 CUMTiiQdVar U CKgrm心OnEBCFMlor: 11 WOeI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。