基于ABAQUS的高速动车组制动控制装置支架有限元的分析

江涛

（南京浦镇海泰制动设备有限公司，江苏 南京 211800）

基于ABAQUS的高速动车组制动控制装置支架有限元的分析

江涛

（南京浦镇海泰制动设备有限公司，江苏 南京 211800）

动车组在高速运行时，车载设备受到运行产生的振动冲击十分强烈。论文创建了高速动车组制动控制装置计算模型，通过ABAQUS数值仿真，对制动控制装置支架进行了静强度和振动冲击分析，获得了制动控制装置支架在不同工作状况下最大应力，分析结果表明：制动控制装置支架满足在静强度和振动冲击下材料的屈服极限，同时对制动控制装置结构设计提出了合理化建议。

高速动车组；制动控制装置支架；有限元分析；ABAQUS

0 引言

本文主要基于abaqus有限元分析方法，以铁路相关行业标准为判定依据，对制动控制装置支架的静强度、冲击强度进行仿真分析，为制动控制装置支架设计提供依据。

1 设计要求

高速动车组制动控制装置是将制动控制器、阀类、旋塞类、滤尘器、风缸集约单元化的产品，主要用于高速动车组的制动控制；制动控制装置（见图1）安装于动车组车下，当车辆到站时，对动车施加制动，因此在动车运行过程中，制动控制装置支架的强度对于列车制动系统的可靠和稳定起着重要的作用。

图1　动车制动控制装置Fig.1 Braking control device

根据标准JIS E-4031、EN-12663对整个制动控制装置施加不同荷载，从而考量制动控制装置支架的强度，要求支架在规定荷载下最大应力不得大于许用应力，具体判定标准如表1所示。

表1　判定标准Tab.1 Criteria

2 模型处理

（1）几何模型。制动控制装置几何模型如图1所示，因大风缸虽为储气装置，但其本身也起到传递荷载作用，因此也将其作为支架的一部分来考虑。图中X方向为纵向，Y方向为垂向，Z方向为横向。

（2）支架材料参数。制动控制装置支架材料弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，屈服强度为245MPa。材料均按线性材料考虑。支架母材强度参数见表2；网格模型（见图2）。

表2　支架母材强度参数Tab.2 Stand material strengthparameters

（3）连接关系。动车制动控制装置中集成了制动控制器、阀类、风缸、气路板等众多部件，为了能够减少计算量，缩短计算时间、提高计算准确度，支架与风缸、支架与气路板以及支架本身的焊接关系通过ABAQUS中的Tie连接，下护箱的MASS单元通过Coupling与风缸支架及气路板连接见图3。因风缸、气路板和下护箱不在分析范围之内，所以将风缸、下护箱采用Display body将其显示，气路板本身定义成刚性较大的材料，使其起到连接支架的作用；通过约束支架四周的安装孔来模拟制动控制装置悬挂于动车车下。对支架4个安装孔施加位移/转角约束，约束其6个自由度。具体位置见图4。

图2　装置网格模型图Fig.2 Device grid model

图3　连接关系示意图Fig.3 Connection relationship

图4　吊架安装孔约束示意图Fig.4 Stand mounting hole constraint

3 静载荷强度分析

在动车运行过程中，支架主要承受来自制动控制装置自身载荷和列车对其的作用，因此静强度是否满足材料的屈服极限，对动车能否稳定的制动具有重要意义。根据EN12663-2000《铁道应用—轨道车身的结构要求》的规定，制定如表2所列的不同工况下制动控制装置支架所承受的静载荷，对其进行静载荷强度分析，以校核其强度是否满足材料的屈服极限。g为重力加速度，g=9.8m/s2。

由图5～图7可知，工况1的最大应力为143.3MPa，工况2的最大应力为152.3MPa，工况3的最大应力为219.8MPa；制动控制装置支架材料屈服强度为245MPa，三种工况下最大应力均小于支架的屈服极限，说明制动控制装置支架的结构设计、支架材料符合EN12663-2000《铁道应用—轨道车身的结构要求》静强度要求，同时也可以静强度分析作为依据，适当对制动控制装置进行改形优化设计，在满足静强度的基础上，适当减轻其重量，对于动车组制动系统轻量化具有重要意义。

表3　静强度载荷参数Tab.3 Static strength load

图5　-1静载荷工况1应力分布Fig.5-1 Static load condition 1 stress distribution

图5　-2静载荷工况1最大应力Fig.5-2 Static load condition 1 the maximum stress

图6　-1静载荷工况2应力分布Fig.6-1 Static load condition 2 stress distribution

图6　-2静载荷工况2最大应力Fig.6-2 Static load condition 2 the maximum stress

图7　-1静载荷工况3应力分布Fig.7-1 Static load condition 3 stress distribution

图7　-2静载荷工况3最大应力Fig.7-2 Static load condition 3 the maximum stress

4 冲击载荷强度分析

高速动车组在运行过程中，路况比较复杂，有高地有低地，有弯道有平道，列车运行速度有快又慢，制动控制装置承受着各种情况下的振动冲击，在对其静强度分析后，对其冲击载荷强度分析，以验证其承受各种不同情况下的振动冲击能力。根据标准JIS E4031-2008《铁路铁路车辆部件--振动及冲击试验方法》相关规定，在Abaqus中分别对X、Y、Z方向综合施加冲击载荷（冲击载荷参数见表3），冲击荷载按JIS E4031一类B种标准分三种情况施加，脉冲波形见图8，在计算中只取其中冲击阶段脉冲波形，重力加速度（9.8N·m/s2）。

从图9～图11可知：工况1下冲击载荷最大应力为174.2MPa，工况2下冲击载荷最大应力为162. 9MPa，工况3下冲击载荷最大应力为61.76MPa，均小于制动控制装置支架的屈服极限，说明制动控制装置支架的设计、结构强度符合JIS E4031-2008《铁路铁路车辆部件——振动及冲击试验方法》振动冲击要求。

表4　冲击载荷参数Tab.4 Shock load

图8　冲击荷载脉冲波形图Fig.8 Shock load pulse wave

图9　-1冲击载荷工况1应力分布Fig.9-1 Static load condition 1 stress distribution

图9　-2冲击载荷工况1最大应力Fig.9-2 Shock load condition1 the maximum stress

图10　-1冲击载荷工况2应力分布Fig.10-1 Shock load condition 2 stress distribution

图10　-2冲击载荷工况2最大应力Fig.10-2Shock load condition2 the maximum stress

图11　-1冲击载荷工况3应力分布Fig.11-1 Shock load condition 3 stress distribution

图11　-2冲击载荷工况3应力分布云图Fig.11-2 Shock load condition3 the maximum stress

5 结论

5.1结果分析

经过对高速动车组制动控制装置支架进行静强度和振动冲击有限元分析，获得了在不同工况下产生的最大应力并研究了支架周围的应力分布，得出如下结论：①静强度载荷数值仿真得到的不同工况下的最大应力均小于支架材料的屈服极限，支架结构满足高速动车组稳定性要求；②振动冲击强度载荷数值仿真得到的不同工况下的最大应力均小于支架材料的屈服极限，支架结构满足高速动车组耐振动和冲击状态下的要求。

5.2制动控制装置设计合理化建议

针对本文的分析结论，对高速动车组制动控制装置支架设计提出以下几点建议：①最大应力处多显示支架吊装孔周围，可通过改变吊装孔形状或在吊装孔上设置垫块，减少或避免该处的应力集中；②风缸占到制动控制装置重量相当大的比例，可考虑在满足静强度和振动冲击强度的基础上，改变风缸材质，对风缸进行轻量化设计，满足高速动车组更加轻便型和方便安装性的要求。

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［4］江涛，李言．冷滚打丝杠的弹塑性分析［C］．制造技术自动化学术会议论文集，2009，12．

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Finite Element Analysis of the High-speed Train Braking Control Device Bracket Based on ABAQUS

JIANG Tao
（Nanjing Puzhen Haitai Brake Equipments Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 211800，China）

When the high-speed train in operation，the impact of vehicle equipment operation is extremely strong.The article aims on numerical value analyzing for the high-speed train baking cntrol dvice bracket，which is supported strength and vibration impact analysis through the numerical simulation of ABAQUS.Thereby educe stress distribution and the maximum stress in different working conditions. The results show that the baking cntrol dvice bracket meet the material limit yield in the conditions of strength and vibrationimpact，Proposing sagacious suggestions for the design structure of control device of brake.

high speed train；braking control device stand；finite element analysis；ABAQUS

TP29

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.040

1002-6673（2015）02-104-03

2015-02-05

江涛（1985-），男，江苏南京人，硕士，工程师。