基于ANSYS的地铁车辆逆变器吊装结构强度分析

周博，陈征

(大连交通大学 动车运用与维护工程学院，辽宁 大连 116028)

0　引言

轻轨、地铁的迅速普及，在给旅客提供了方便快捷交通工具的同时，还必须保证车辆在工作状态下的安全可靠.辅助逆变器作为车辆的转换电能的装置，其主要功能是为车辆的制冷系统以及多种控制回路进行供电，为了提升车厢内部空间的利用率，通常将该设备置于车辆的底部，其吊装结构则成为重要的承载部件.逆变器吊装部件的应力分布和变形情况将直接关系到车辆的安全运行，如果在车辆高速运行期间，吊装部件中的各个部件连接处发生断裂，将会导致严重的交通事故，最终结果将直接危及到车辆内乘客的生命财产安全，所以针对在标准工况下对吊装结构的应力分布和变形的研究，在保证车辆安全运行方面来说有着重要的意义[1- 4].

本文以某新型地铁车辆底部吊装结构为研究对象，参考《EN 12663- 1- 2010铁路应用设施.铁路车辆车体的结构要求.机车和客用车》，利用有限元仿真软件ANSYS，进行了逆变器吊装结构的应力分布以及变形分析校核，根据标准工况下吊装结构的应力分布与变形状况，对其结构设计的合理性和可靠性进行了分析与评价.

1　逆变器吊装结构有限元模型

本文中的逆变器安置于地铁车厢的底部，总重量为965 kg，使用螺栓刚性固定在车下C型槽上.通过吊耳(6个)、螺栓(24个M10螺栓、16个M16螺栓)、橡胶垫等与车底架连接，逆变器吊装结构的几何模型如图1所示，连接结构如图2所示.

图1逆变器吊装结构正视图图2吊装连接结构图

1.1　建立有限元模型

利用有限元仿真软件ANSYS建立逆变器的有限元模型，为了保证仿真结果的可靠性和计算期间的敛散性，在划给网格之前针对结构进行适当的简化，本文根据逆变器吊装的结构特点和分析的目的，有限元模型采用空间四节点板壳单元(Shell 181)和梁单元(Beam 186)混合建模的方式.其中，吊装结构主要以四节点板壳单元为主通过刚性连接(Rigids)的方式与与之相连的各个构件进行连接，与实体单元相比，板壳单元由于结合考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应，因此，其具有更高的计算精度，螺栓连接结构部分则处理成为梁单元，也通过刚性连接(Rigids)的方式也C型槽和吊耳进行衔接[5].

逆变器的有限元模型中单元总数为207 209个，结点总数为227 697个.逆变器结构的有限元整体模型如图3所示，局部模型如图4所示.

图3逆变器结构的有限元整体模型图4逆变器结构的有限元局部模型

1.2　材料属性

吊装结构主要部件的材料参数如表1所示.

表1　主要部件的材料参数

1.3　载荷加载

参考《EN 12663- 1- 2010铁路应用设施.铁路车辆车体的结构要求.机车和客用车》，本次仿真的有限元模型按照以下八种工况进行计算，其中g代表重力加速度，取值g=9.8 m/s2如表2所示.

表2　静强度分析工况

2　吊装结构有限元仿真结果分析

通过对不同工况下逆变器吊装结构的静强度分析，可知：由于螺栓连接吊座将设备紧固于车体底架，为主要承力结构，因此吊座附近为应力较高区域，向下(设备框架)、向上(车体底架)逐渐过渡.吊座应力总体分布均匀合理，在给定载荷工况下应力均小于材料屈服应力，满足强度要求.表3、表4给出了不同工况下吊座最大应力分布、吊座焊缝强度及评估结果.

表3　各工况最大应力及强度评估结果

表4　各工况焊接缝强度评估结果

(a) 整体应力云图 (b) 整体位移云图

(c) 局部应力云图 (d) 局部焊缝处应力云图

图5工况1作用下的结果云图

(a) 整体应力云图 (b) 整体位移云图

(c) 局部应力云图(d) 局部焊缝处应力云图

图6工况2作用下的结果云图

(a) 整体应力云图 (b) 整体位移云图

(c) 局部应力云图(d) 局部焊缝处应力云图

图7工况4作用下的结果云图

根据表3所示，吊座最大应力大于160 MPa且小于屈服强度的的工况只有工况1、工况2和工况4，且同样都出现在吊座圆孔处，局部应力云图结果如图5(c)、6(c)、图7(c)所示，而根据表4可知吊座焊接应力超过90 MPa且小于屈服强度的工况也同样是以上的提到的三个工况，局部焊缝处的最大应力云图如图5(d)、6(d)、图7(d)所示.

3　吊装结构螺栓受力分析

地铁车辆底部辅助逆变器由30枚螺栓连接于车体底架，其中M10×24、M16×6，性能等级为A4- 70，螺栓的屈服极限为450 MPa.螺栓在八种载荷工况作用下，螺栓的许用应力为[σ]=σs/n，安全系数：n=1.2～1.5.

3.1　螺栓总拉力及预紧力计算

螺栓在安装时，每个螺栓受有预紧力Qp，当承受轴向工作载荷F后，由于螺栓和被连接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力不等于预紧力Qp和工作拉力F之和；而是与Qp，F和螺栓刚度CL，被连接件的刚度CF有关，当应变在弹性变形范围内，各零件受力可根据静力平衡和变形协调条件进行分析.因此，螺栓的总拉力等于预紧力加上部分工作载荷，即：

对于一定公称直径d的螺栓，当螺栓的拧紧力矩T已知时，可确定螺栓的预紧力，即：

Qp≈T/(0.2d)

性能等级为A4- 70，螺栓M10×24，其预紧力矩T为37 N·m，螺栓M16×6，其预紧力矩T为155 N·m.

3.2　螺栓总拉力及预紧力计算

参照吊装结构有限元分析结果，得出八个个工况下三十个螺栓的受力及评估结果，其中工况1下的螺栓工作拉力大于0N的结果如表5.

考虑到螺栓连接吊座将设备紧固于车体底架，为主要承力结构.从有限元分析结果来看，吊座附近为应力较高区域，向下(设备框架)、向上(车体底架)逐渐过渡.吊座应力总体分布均匀合理，在给定载荷工况下应力均小于材料屈服应力，满足强度要求，螺栓布置合理.

表5　计算工况1螺栓受力评估结果表

表5　计算工况1螺栓受力评估结果表(续)

4　结论

借用有限元数值仿真的方式对某新型地铁车辆底部逆变器吊装结构进行强度分析，基本掌握了逆变器吊装结构的整体应力分布、变形程度以及安全裕量，仿真结果显示该吊装结果满足强度要求，具备良好的承载能力.

本文仅针对地铁车辆下逆变器吊装结构静强度依照相关标准进行了初步的分析与计算.而考虑到列车在高速运行期间，车辆下的各种设备同时承受包括扭振、瞬态冲击、气体压力等多种交变载荷，其外载荷变得更加多样.所以，针对整个铝合金车体结构的疲劳耐久性问题的研究则显得更为重要，尤其是在车辆底部的吊装结构关键焊缝的疲劳寿命与衔接件螺栓的疲劳寿命分析.这些问题需要在今后的日常工作中进行进一步的探索与研究.

参考文献:

[1]罗光兵, 曾京. 车下设备的连接方式及悬挂参数匹配研究[J]. 现代制造工程, 2013(5):1- 6.

[2]纪志坡,杨丹燕,刘志刚. 地铁车辆应急通风逆变器的设计[J]. 电力机车与城轨辆,2006(6):29- 32.

[3]程亚军,高阳,刘洪涛. 地铁车底局部吊装仿真分析与疲劳试验[J]. 铁道技术监督,2012,40(10):31- 34.

[4]张明,罗鹏,高晓霞. 动车组辅助逆变器吊装结构强度仿真分析[J]. 铁道运营技术,2015,21(3):36- 37.

[5]米小珍，张汉冰,王枫. 螺栓接触分析中前处理技术的研究与开发[J]. 机械工程师,2014(1):1- 3.