铁路客车用水箱防波板结构优化

摘 要：本文以某铁路局食堂车净水装置水箱为研究对象，采用Simufact Welding、Abaqus软件从焊接分析以及结构分析两方面对水箱内部防波板结构改进进行对比分析。从焊接分析结果来看，改进后的结构稍优于改进前，焊接应力更小，且具有进一步优化的空间;结构分析方面，改进后的结构，防波板的作用更明显，水箱端板受力有所改善。

关键词：水箱;防波板;焊接;结构

1 研究对象

1.1 作用意义

铁路客车用水箱内设有防波板，其作用为：当水箱运动形式突变（例如车辆急加速、急减速）时，阻碍内部流体剧烈晃动，均衡各板的冲击受力，进而减小变形，有利于提高水箱整体结构稳定性。

以单方向加速度为例，对比有、无防波板的水箱内部情况。如图1（a）所示，水箱内部无防波板，在水箱运动时，内部水因为惯性会迅速挤压汇集于后端面，水瞬间的惯性力全由后端板乃至顶板来承担，随着运动进行，内部水逐渐趋于平稳。

如图1（b）所示，水箱内部有防波板，当水箱运动时，在水箱运动时，因为防波板的存在，水不会全部汇集于后端，防波板将水分割成两个腔，各个腔内水的惯性力接近原来一半，并分别由后端板和防波板共同承担，随着运动进行，前腔的水会通过防波板的流水口流到后腔，最终流动域形状与无防波板时情况近似。

1.2 研究改进

早期水箱的防波板结构，一般都为平面板材上開流水口，与底板之间的连接方式为双侧交叉段焊，这种结构以及焊接形式，会导致两焊缝之间的距离过近，在无法完全控制焊接质量的情况下，很容易导致母材局部应力过大，材料变性严重，进而产生变形以及锈蚀;后期水箱结构经过改进，内部防波板一般都采用翻边结构，如图2所示：

这种结构会在防波板根部以及翻边处添加两条焊缝（段焊），在一定程度上解决了以往两条焊缝过近导致的问题，但该结构存在的问题为在水箱完工酸洗磷化时，根部翻边处容易存留清洗杂质，不断对焊缝及母材进行腐蚀，且在日常使用过程中，水里面的杂质由于沉降也会堆积于此处，不便清理影响水质。

本文提出一种新的防波板结构——整体折弯造型，如图3所示：

该结构，拟通过板材折弯错位产生前后面，并在错开的前后面根部焊接，这样既可以将相邻焊缝分开，又解决了残存杂质的问题。

本文后续内容将从焊接分析以及结构分析两方面对改进前后效果进行对比分析。

2 焊接分析

本次焊接模拟计算，先采用Hypermesh对水箱模型前处理，生成bdf网格文件，后导入Simufact Welding中进行计算。

2.1 热源模型选择

本次计算采用的是半椭球热源模型，该热源模型前半部分是1/4椭球，后半部分是不同尺寸的1/4椭球，熔池模型如图4所示，y轴正方向为焊接移动方向：

模型中前半部分和后半部分的热流密度分布函数为：

其中，前轴长af=3mm，后轴长ar=6mm，宽度b=3mm，深度c=3mm，电压U=140v，电流I=25A，热效率η=0.85。

2.2 焊接计算

因为改动前后，仅底部焊接方式有变化，所以焊接计算只计算底部焊缝。

为尽可能接近实际焊接情况，焊接过程中设计设计加装了10个夹具，用于固定板材，焊枪方向为焊缝夹角角平分线方向，焊脚尺寸为4mm。

焊接顺序为单侧焊接完成后，对侧焊接，焊接环境温度为20℃，相邻两焊接之间间隔1S，焊后预留10S冷却时间。

网格文件导入软件，如图5，图6所示。

2.3 焊接计算结果

2.3.1 焊接变形量

改进前与改进后的焊缝变形量对比见图10，图11所示。

2.3.2 焊接应力

改进前与改进后的焊接应力对比见图12，图13所示。

2.4 焊接结果分析

从焊接变形量结果可得，改进后变形量0.5mm比改进前0.47mm大，分析原因为改后折弯造型的过渡处，正面背面的焊缝相距较近。后期应考虑改变焊接方式，减少过渡斜边处焊量。

从焊接应力来看，改后353.26N/mm?优于改前361.99N/mm?。

此次计算仅为底部一条焊缝，在实际操作过程中，焊接应力会在后续的焊接中产生进一步的影响，整体的应力会在冲击振动和保压中逐渐释放，转化为变形，所以从焊接角度来看，应力低的更优。

3 结构分析

在运行过程中，流体对水箱箱体的冲击不可忽略，因此本次结构计算采用的是双向流固耦合分析，水箱运行形式为作急加速运动，水箱带动流体运动，流体运动引起水箱受力变形，水箱变形影响流体流动域的变化。

3.1 抽取中面

由于水箱是薄壁部件，所以本次计算用抽取中面的形式计算，原因为：一是用壳单元赋予厚度代替实体单元会明显降低计算量，二是薄壁件部件在受力变形时，如果厚度方向网格较少会使计算效果失真。

将Catia中装配完成的水箱模型导入Hypermesh中，抽取中面，如图14所示：

赋予材料属性（304不锈钢）：密度：7.93×103kg/m?;弹性模量：194020Mpa;泊松比：0.3。

3.2 计算设定

将inp文件导入到abaqus中，检查水箱属性定义是否准确，确认无误后，进行以下设置：

（1）建立流体模型（半箱水），并定义密度、粘性和状态方程;（2）将流体模型与水箱“装配”后，如图15所示;（3）建立动力显式分析步，分析时长为8.5s，开启几何非线性，进行质量缩放设置;（4）定义流体与水箱之间的接触关系;（5）定义载荷，整体定义竖向重力加速度9.8m/s2，箱体受运动方向4m/s2的加速度，载荷情况如图16所示;（6）流体网格划分，采用六面体网格，流体单元类型为C3D8R;（7）作业流程建立。

3.3 计算结果

改进前与改进后的应力图对比见图17，图18所示。

3.4 计算结果分析

改前方案、改后方案水箱应力集中区域都发生在防波板底部及水箱后端板，如图19，图20所示：

防波板根部应力26.7MPa，水箱后端板应力28.1MPa;

防波板根部应力30.3MPa，水箱后端板应力23.2MPa;

由以上数据可得，改进后方案，防波板根部应力更大，水箱后端板的应力更小，防波板对流体的晃动抑制更为有效。

4 总结

本文是以水箱内部仅有一块防波板为例，从焊接分析和结构分析两方面，对比改进前后的防波板结构。

对于焊接分析而言，改进后的结构由于焊接应力小，所以稍优于改进前;受力分析来说，改进后的结构，防波板分担的冲击力更大，降低了端板的冲击，作用更明显。

此次计算虽稍显优化，但防波板仍有很大的优化空间，比如防波板折弯造型后，流水口是否有更优的开设尺寸和开设位置;焊接形式是否有更优的顺序和方式;防波板的数量与焊接变形之间怎样做到一个最优解等，在以后的工作中应予以关注。

参考文献：

[1]TB/T 1720-2017 铁路客车及动车组给水装置[S].

[2]GB/T 4549.8-2004 铁道车辆词汇 第8部分：给水、排水装置[S].

作者简介：刘丽君（1986-），女，甘肃定西人，本科，高级工程师，目前从事铁路客车给水、卫生系统设计工作。