动力集中动力车空调装置箱体有限元分析

鞠盈子 庞学博 程显耀 薛鑫

摘要：动力集中动车组客车装备柜式空调机组安装在设备间端部司机室侧。空调系统主要包括：压缩机、换热器、风机、节流装置、制冷管路、控制阀和开关，空调控制盘和箱体。本文对动力集中动力车空调装置箱体进行了静强度和疲劳强度的校核计算，利用HyperMesh建立有限元模型，并结合实际工况，采用ANSYS软件对空调装置进行有限元分析，为下一步冲击振动试验和结构改进提供理论依据。

关键词：动力集中动力车;空调装置箱体;有限元分析

0  引言

普通铁路客车有很大的市场需求，动力集中动车组是未来铁路主型客运列车，该动力集中动车组客车装备柜式空调机组，安装在设备间端部司机室侧，以调节司机室内空气湿度以及气流速度和温度等参数。该空调系统主要包括：压缩机、换热器、风机、节流装置、制冷管路、控制阀和开关，空调控制盘和箱体。客车空调机组均采用单元式结构，空调为前出风下回风型式，将车外新鲜空气吸入并于车内再循环空气混合，在过滤灰尘及杂质后，通过风道分配至车内，以保证车内洁净度及合理流动速度及气流组织，冬季，通风机将吸入车内外的混合空气加热后送入车内。客车在高速运行状态下，对空调装置结构的稳定性有着严格要求，因此，对空调装置箱体进行有限元仿真分析，可以了解空调机箱在不同工况下箱体受力情况，提前预测箱体结构在设计中可能存在的缺陷，并对薄弱位置进行优化设计。

1  箱体有限元模型建立及约束边界

本文以动集动力车空调机箱作为研究对象，利用有限元分析法来有效分析此类结构，本文采用ANSYS和HyperMesh程序来计算动集动力车空调装置强度有限元分析，这两种软件的建模和分析功能在汽车交通、造船、航空航天等工业已获得广泛应用，对所得相关数据进行分析总结，保证动集动力车空调机箱结构使用的可靠性，并为后期的优化设计以及空调机组整改提供数据理论支持。

动集动力车空调装置的有限元模型构成以任意四节点等参薄壳单元为主，与板单元相比，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，因此具有更高的计算精度。整个结构有限元模型的节点总数为43100，单元总数为42559。箱体的有限元模型如图1所示，箱体内外吊装各部件模块通过集中质量方式施加在其重心处，模块质量单元分布位置如图2所示，箱体强度分析的边界条件施加位置如图3，在1、2、3、4、5、6六个吊挂点施加三向平动位移约束。图中的坐标轴X、Y、Z正方向分别对应车体的横向、纵向、垂向。

2  箱体静强度分析

2.1 箱体有限元模型载荷工况的施加

根据本文所研究的内容为空调机箱的分析計算，各种工况下静强度分析依据EN12663-2010标准中要求，空调装置静强度分析参考了如下6种计算工况 ：

①计算工况1：纵向加速度为5.0g，垂向加速度为-1.0g;

②计算工况2：纵向加速度为-5.0g，垂向加速度为-1.0g;

③计算工况3：横向加速度为1.0g，垂向加速度为-1.0g;

④计算工况4：横向加速度为-1.0g，垂向加速度为-1.0g;

⑤计算工况5：垂向-1.0g+2.0g;

⑥计算工况6：垂向-1.0g-2.0g。

评定标准应当依据EN12663-2010标准对结构静强度的要求，在既定的静强度工况下，计算Von Mises应力不应该超过相应材料的许用应力（205MPa），静强度与疲劳强度分析的载荷均施加在箱体组成部件上，g=9.81m/s2。

2.2 箱体有限元模型刚度及强度结果分析

既定6种静强度工况下箱体的最大计算结果及最大位移变形值如表1和表2所示，应力最大点主要发生在箱体隔板与蒸发风机安装座连接处。

3  箱体疲劳分析

3.1 疲劳理论基本思想

研究成果表明，由于在焊接过程中结构焊缝及其附近存有达到或接近屈服点的残余应力，不管外加动应力的循环特性如何，焊缝附近的实际循环应力是从母材的屈服应力向下摆动。例如，标称应力为+？滓1到-？滓2，则其应力范围为？滓y-（+？滓1-？滓2）。但接头中的实际应力循环范围将由？滓y（达到屈服点的应力幅值）到？滓y-（？滓1+？滓2）。这说明，实际应力范围和与其相关的疲劳循环次数、疲劳强度主要与施加应力范围有关，而最大、最小循环应力值以及应力循环特性对它的影响较小。这一点在研究焊接接头疲劳强度时是非常重要的，这意味着焊接接头的疲劳性能许用应力范围概念的表述是科学的。因此，BS7608-1993标准采用应力范围来描述S-N曲线，如图4。图4所示的BS7608-1993标准的S-N曲线是以应力范围和循环次数表示的，且为双斜率曲线，标准中各种焊接接头对应疲劳强度的高低以疲劳等级（FAT）表示，它对应于循环200万次的常幅应力范围的值。

BS7608-1993标准的寿命预测算法原理是基于Miners损伤累计理论。该理论的主要假设是：等幅疲劳载荷谱作用下，每次循环加载所造成的损伤增量相等且独立可加;多级变幅疲劳载荷谱作用下，各级循环加载所造成的损伤增量独立可加;材料疲劳破坏所对应的临界损伤是一常量，仅依赖于材料特性，与载荷谱及加载历程无关。以ni表示载荷谱中应力范围为？驻？滓i的循环次数，Ni表示在该应力范围时将导致损坏的循环总数，则在下式情况时出现疲劳破坏：

式中，？驻？滓0为评估点的S-N曲线拐点;m为S-N曲线斜率。

3.2 疲劳工况的载荷施加

在各疲劳计算工况作用下，选取空调装置3个疲劳强度薄弱部位作为评估点，在横向、纵向、垂向分别施加疲劳计算工况△0.3g。

3.3 疲劳结果分析

依据BS7608-1993标准，对于应力变化范围小于许用应力变化范围的低应力循环，对疲劳损伤也有贡献。在疲劳计算工况作用下，箱体评估点的累积损伤如表3。

选取的3个评估点位置的疲劳累积损伤比均小于1，箱体的疲劳强度满足BS7608-1993标准要求。

4  总结

本文通过对动集动力车空调箱体进行了静强度和疲劳强度有限元分析，依据相关要求，对不同工况下的静强度与疲劳强度进行相关分析，得出了以下结论，空调装置的静强度计算结果均在材料的许用应力范围内;在疲劳工况下，各评估点的疲劳损伤累计均小于1，因此空调装置箱体的静强度与疲劳强度均满足要求。由计算结果验证了结构设计的合理性，为下一步的冲击振动试验分析提供了理论依据。

参考文献：

[1]金希红，闵阳春，陆军.160km/h动力集中动车组动力车车体防撞性设计[J].铁道机车车辆，39I（02）：115-118，124.

[2]邓纪辰，隋锡征，梁海涛，等.160km/h动力集中动车组动力车牵引通风系统仿真分析与模拟试验[J].铁道机车与动车， 2018（7）.